DIMENSIONAMENTO DE UM SISTEMA FOTOVOLTAICO PARA UMA CASA DE
VERANEIO EM POUSO DA CAJAÍBA-PARATY
Marcos Antonio dos Santos ...
Lista de Figuras
Figura 1.1 – Localização do Pouso da Cajaíba ........................................................ 1
F...
Figura 3.1 – Funcionamento da esfera de medições............................................. 21
Figura 3.2 – Eficiência d...
Figura 7.3 - Esquema das ligações para o projeto de carga reduzia com
fluorescentes..........................................
v
Lista de Tabelas
Tabela 2.1 – Dados de placa do painel MST-20LV.................................................. 11
Tab...
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Tabela 8.1 – Itens necessários utilizando a placa de LEDs..................................... 68
Tabela 8.2 – Itens nec...
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Sumário
Lista de Figuras ..................................................................................................
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5.1 Cálculo do Consumo Diário......................................................................... 33
5.2 Dimensiona...
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7.1 Cálculo do Consumo Diário......................................................................... 56
7.2 Dimensiona...
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1
1 Introdução
1.1 Motivação
A comunidade do Pouso da Cajaíba, localizada no município de Paraty-RJ,
possui cerca de 200 h...
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Atualmente, cerca de 90% da produção mundial de energia tem origem
fóssil[Guilherme5], sendo o carvão ainda respondendo ...
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Figura 1.2 – Recursos energéticos conhecidos e o consumo mundial
FONTE: Greenpro, 2004
A grande motivação deste trabalho...
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1.2 Objetivos
O objetivo deste trabalho é apresentar o projeto de um sistema fotovoltaico
para uma casa sem energia elét...
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fotovoltaico, como placas fotovoltaicas auxiliares, baterias ou inversores de grande
potência.
O trabalho esta dividido ...
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2 Conhecimentos Básicos
2.1 Histórico da Energia Solar Fotovoltaica
A Energia Solar Fotovoltaica é a energia oriunda da ...
7
Os sistemas fotovoltaicos podem ser divididos quanto às suas formas de
aplicação: os sistemas autônomos e os sistemas li...
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Figura 2.2 – Sistema fotovoltaico autônomo
2.2 Painéis Fotovoltaicos
Células solares ou fotovoltaicas são os elementos r...
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Figura 2.1 – Representação de uma célula fotovoltaica
No modelo equivalente, a intensidade da corrente produzida varia
l...
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sigla em inglês: MPP (Maximum Power Point). Caso não haja um sistema de rastreio,
em geral o sistema irá operar fora de...
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Figura 2.4 – Ligação de painéis em paralelo
Outra alternativa de interligação é conectar fileiras de painéis em paralel...
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Uma das grandes preocupações nos sistemas fotovoltaicos é relativa aos
efeitos de sombreamento, pois estes impedem a in...
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instalação dos painéis fotovoltaicos em inclinações diferentes da ótima, por
exemplo, seguindo a inclinação do telhado....
14
geração com o consumo. O grande desafio das fontes alternativas de energia
como a solar e a eólica está justamente no f...
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Como os processos de carga/descarga não são totalmente reversíveis, à
medida que as descargas ocorrerem, a vida útil da...
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controladores de carga utilizam diodos de bloqueio que não permitem a circulação
de corrente reversa, em geral possuem ...
17
ponto de máxima potência na maior parte do tempo. Nos controladores com um
sistema de rastreio do MPP, um conversor CC-...
18
podem ter seu funcionamento prejudicado e a vida útil reduzida caso sejam
conectadas a formas de onda muito distorcidas...
19
O circuito básico de um inversor monofásico é apresentado na Figura 2.2,
onde através de chaveamentos alterna-se a tens...
20
[Guilherme17]Como no presente projeto serão utilizados inversores de onda
retangular, é provável que sua curva caracter...
21
mostra a forma de onda da tensão medida no osciloscópio para o caso sem
ligação de cargas.
Figura 2.5 – Tensão de saída...
22
Figura 2.6 – Curva de rendimento do Inversor de onda retangular
É facilmente perceptível que a equação polinomial de 3º...
23
0.80
0.20
234
0.8172
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0.5311
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0.5284
60
1






⋅⋅⋅−⋅⋅ x+
x
+
xx
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0.862≈η
Será adotado então o val...
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3 Alternativas de Iluminação
Neste capítulo serão analisadas três possíveis alternativas para a iluminação
da casa: a u...
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Fluorescente
Compacta
127 VCA 864 lm 14,8 W 212 mA
Incandescente 127 VCA 714 lm 61,4 W 484 mA
Tabela 3.1 – Dados das lu...
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Figura 3.3 – Placa de 48 LEDs
As lâmpadas incandescentes são as mais facilmente encontradas no
mercado brasileiro, poré...
27
Figura 3.4 – Lâmpada Eletrônica Aram 15W
Nos capítulos seguintes, serão projetados sistemas utilizando a lâmpada
eletrô...
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4 Projeto de Iluminação em 12V
Foram realizados testes na casa com a placa de 48 LEDs alimentada por uma
bateria de 12V...
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Wh=++++++++,=Cverão 57,65,765,762,882,882,882,888,648,642817
Durante o inverno, a casa é muito menos utilizada, assim s...
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Wh
=Ebateria 288
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E durante o inverno:
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Como a mesma bateria deverá suprir ene...
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radiações solares diárias médias mensais para cada localidade, fornecido pelo
programa para uma inclinação de 0º.
Figur...
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consumo de energia será maior (alta temporada). Alterando a inclinação dos
painéis solares pode-se obter uma distribuiç...
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( ) ( ) ( )
W,
,
=Potêncianecessária 9317
0,1010,1010,061
9413
≈
−⋅−⋅−
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De acordo com a Tabela 1 da Recon (Anexo 1), pode-se utilizar um fator de
demanda máximo igual a 0,8 para este caso, as...
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Figura 4.2 – Planta de instalação para o projeto de iluminação em LEDs
A instalação pode ser dividida em 3 circuitos: (...
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...)(
(%)
1
2 22112
++×
×
×= lplp
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Onde:
• S é a seção mínima do condutor em mm
2
;
• ρ é a resistividade do cobr...
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.:. Sescolhido=2,5mm2
Circuito 3:
3,06 x 7,0 = 21,42
3,06 x 14,5 = 44,37
3,06 x 18,5 = 56,61
( ) 9540,161,5637,4442,21
...
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5 Projeto de Iluminação com Lâmpadas Eletrônicas
Para esse projeto de iluminação, foi levado em consideração a Lâmpada
...
39
Durante o inverno, será considerado que apenas a metade dos quartos será
utilizada, e também que se gastará menos tempo...
40
Aproximando a descarga diária (20%) da bateria em 4h, a partir de uma
simples regra de três, tem-se que a taxa de desca...
41
( ) ( ) ( )
W,
,
=Potêncianecessária 3295
0,1010,1010,061
5872
≈
−⋅−⋅−
E o número de painéis necessários:
Painéismínimo...
42
1kVA, deveremos adotar um fator de demanda igual a 0,80. Assim, nossa demanda
máxima igual a:
W==Demandamáxima 1081350,...
43
Adotando o inversor dimensionado podemos calcular a carga relativa do
inversor quando operando a plena carga,:
%06100
3...
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5.6 Esquema de Ligação
A Figura 5.1 abaixo mostra o esquema das ligações a serem efetuadas para
o projeto de iluminação...
45
Figura 5.2 – Planta de instalação para o projeto de iluminação em 220V
O projeto foi dividido em 3 circuitos, como nume...
46
Onde:
• S é a seção mínima do condutor em mm
2
;
• ρ é a resistividade do cobre (=1/58 .mm2/m);
• l é a distância até a...
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25 x 14,5 = 362,5
25 x 18,5 = 462,5
( ) 0475,05,4625,362175
220015,0
1
58
1
2 2
≈++⋅
⋅
⋅⋅≥S
.:. Sescolhido=1,5mm2
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6 Projeto de Tomadas para Uso Geral
Será feito um estudo de cargas comuns a residências possíveis de serem
conectadas n...
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consumo diário levando-se em conta o consumo mensal fornecido (17,4 kW.h),
conforme mostrado abaixo:
Consumodiário=
Con...
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Aparelho Quantidade
Potência Nominal
(W)
Horas de uso/Dia
Consumo Diário
/(W.h)
Som Pequeno 1 15 3 45
Netbook 1 25 2 50...
51
6.2.1 Projeto utilizando a placa de LEDs
Nesse tópico será feito o dimensionamento das baterias levando em conta
que se...
52
Deve-se procurar uma bateria do tipo C35 com 575Ah de capacidade, ou melhor.
Como não há fabricação comercial em grande...
53
E número de painéis necessários:
5316
20
330,55 ,=Painéismínimo ≈
Assim, são necessários 17 painéis de 20W para suprir ...
54
É facilmente observável que a situação mais crítica se dá durante o verão.
Para esse caso, e levando em conta as perdas...
55
tomada, é importante deixar uma folga considerável ao dimensionar um inversor a
fim de suportar com tranqüilidade um po...
56
partida das máquinas mais as correntes de regime permanente dos demais
aparelhos. Aproximando a corrente de partida do ...
57
6.4.2 Dimensionamento utilizando lâmpadas eletrônicas
Novamente será considerado o fator de demanda dos aparelhos igual...
58
Figura 6.1 – Inversor de 800W, 12VDC-220VAC
6.5 Dimensionamento do Controlador de Carga
O controlador de carga deverá p...
59
Para o rendimento calculado no capítulo 2 (aproximadamente 86,2%), tem-
se a seguinte corrente no lado de corrente cont...
60
Calculando a corrente necessária no lado de corrente contínua, e
considerando o valor de rendimento obtido no capítulo ...
61
Figura 6.2 - Esquema das ligações para o projeto de carga geral com fluorescentes
A instalação elétrica para o projeto ...
62
Figura 6.3 – Planta de instalação elétrica para o projeto de carga geral com fluorescentes
Figura 6.4 - Planta de insta...
63
Pode-se observar que o projeto está dividido em 2 tipos de circuitos: os
números seguidos por uma letra, representando ...
64
Onde:
• S é a seção mínima do condutor em mm
2
;
• ρ é a resistividade do cobre (=1/58 .mm2/m);
• l é a distância até a...
65
7 Projeto de Tomadas para Carga Reduzida
O presente capítulo abordará um projeto que não utiliza motores, apenas
cargas...
66
Carregador de
Celular
2 2,5 1 5
Tabela 7.2 - Consumo de cada aparelho para o caso com pouca carga no inverno
Assim pode...
67
Ah
Wh
=Cbateria 82.33
12
988
≈
Aproximando a descarga diária (20%) da bateria em 7h, a partir de uma
simples regra de t...
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placas fotovoltaicas, o dimensionamento será feito em duas etapas, a fim de torná-
lo mais claro.
7.3.1 Dimensionamento...
69
Para o cálculo da Reserva no Verão, precisamos conhecer a Potência
Necessária no verão, que é dada por:
( ) ( ) ( )
W,
...
Dimensionamento real de sistema fotovoltaico
Dimensionamento real de sistema fotovoltaico
Dimensionamento real de sistema fotovoltaico
Dimensionamento real de sistema fotovoltaico
Dimensionamento real de sistema fotovoltaico
Dimensionamento real de sistema fotovoltaico
Dimensionamento real de sistema fotovoltaico
Dimensionamento real de sistema fotovoltaico
Dimensionamento real de sistema fotovoltaico
Dimensionamento real de sistema fotovoltaico
Dimensionamento real de sistema fotovoltaico
Dimensionamento real de sistema fotovoltaico
Dimensionamento real de sistema fotovoltaico
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Dimensionamento real de sistema fotovoltaico
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  1. 1. DIMENSIONAMENTO DE UM SISTEMA FOTOVOLTAICO PARA UMA CASA DE VERANEIO EM POUSO DA CAJAÍBA-PARATY Marcos Antonio dos Santos Serrão PROJETO SUBMETIDO AO CORPO DOCENTE DO DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA DA ESCOLA POLITÉCNICA DA UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS REQUISITOS NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE ENGENHEIRO ELETRICISTA. Aprovada por: ________________________________________ Prof. Luís Guilherme Barbosa Rolim (Orientador) ________________________________________ Prof. Walter Issamu Suemitsu ________________________________________ Prof. Celso Alexandre Souza de Alvear RIO DE JANEIRO, RJ - BRASIL AGOSTO DE 2010
  2. 2. Lista de Figuras Figura 1.1 – Localização do Pouso da Cajaíba ........................................................ 1 Figura 1.2 – Recursos energéticos conhecidos e o consumo mundial.................. 2 Figura 1.3 - Planta da casa considerada.................................................................. 3 Figura 2.1 – Sistema Fotovoltaico ligado à rede elétrica......................................... 6 Figura 2.2 – Sistema fotovoltaico autônomo ............................................................. 6 Figura 2.3 – Representação de uma célula fotovoltaica........................................ 7 Figura 2.4 – Simulação de uma célula fotovoltaica................................................. 8 Figura 2.5 – Ligação de painéis em série ................................................................... 9 Figura 2.6 – Ligação de painéis em paralelo............................................................. 9 Figura 2.7 – Ligação de painéis em série-paralelo ................................................. 10 Figura 2.8 – Variação da posição do sol com as estações do ano .................... 11 Figura 2.9 – Esquema de uma Célula Eletroquímica.............................................. 12 Figura 2.10 - Funcionamento de um Controlador Série......................................... 14 Figura 2.11 – Funcionamento de um Controlador Shunt ....................................... 14 Figura 2.12 - Funcionamento de um Controlador com MPP................................ 15 Figura 2.13 – Formas de onda típicas de inversores ............................................... 16 Figura 2.14 – Circuito básico de um inversor............................................................ 16 Figura 2.15 – Curva característica para diversos modelos de inversor................ 17 Figura 2.16 –Circuito montado para determinar a curva característica do inversor ........................................................................................................................................ 17 Figura 2.17 – Tensão de saída sem carga................................................................ 18 Figura 2.18 – Curva de rendimento do Inversor de onda retangular .................. 19
  3. 3. Figura 3.1 – Funcionamento da esfera de medições............................................. 21 Figura 3.2 – Eficiência das lâmpadas ensaiadas .................................................... 22 Figura 3.3 – Placa de 48 LEDs ..................................................................................... 22 Figura 3.4 – Lâmpada Eletrônica Aram 15W............................................................ 23 Figura 4.1 – Radiação diária média mensal para cada localidade ................... 27 Figura 4.2 – Esquema das ligações para o projeto de iluminação em LEDs ...... 30 Figura 4.3 – Planta de instalação para o projeto de iluminação em LEDs......... 30 Figura 5.1 – Inversor de 300W, 12VDC-220VAC ....................................................... 37 Figura 5.2 - Esquema das ligações para o projeto de iluminação em 220V...... 38 Figura 5.3 – Planta de instalação para o projeto de iluminação em 220V ........ 39 Figura 6.1 – Ventilador de 30cm, Mondial V-03....................................................... 41 Figura 6.2 – Inversor de 600W, 12VDC-220VAC ....................................................... 48 Figura 6.3 – Inversor de 800W, 12VDC-220VAC ....................................................... 49 Figura 6.4 – Esquema das ligações para o projeto de carga geral com placas de LEDs ................................................................................................................................ 51 Figura 6.5 - Esquema das ligações para o projeto de carga geral com fluorescentes ........................................................................................................................................ 52 Figura 6.6 – Planta de instalação elétrica para o projeto de carga geral com fluorescentes................................................................................................................. 52 Figura 6.7 - Planta de instalação elétrica para o projeto de carga geral com LEDs ........................................................................................................................................ 53 Figura 7.1 – Inversor de 75W, 12VDC-220VAC ......................................................... 61 Figura 7.2 – Esquema das ligações para o projeto de carga reduzida com placas de LEDs ................................................................................................................................ 64
  4. 4. Figura 7.3 - Esquema das ligações para o projeto de carga reduzia com fluorescentes................................................................................................................. 64 Figura 7.4 - Planta de instalação elétrica para o projeto de carga reduzida com LEDs ........................................................................................................................................ 65 Figura 7.5 – Planta de instalação elétrica para o projeto de carga reduzia com fluorescentes................................................................................................................. 65
  5. 5. v Lista de Tabelas Tabela 2.1 – Dados de placa do painel MST-20LV.................................................. 11 Tabela 2.2 – Dados do inversor coletados no laboratório..................................... 17 Tabela 3.1 – Dados das luminárias coletados no laboratório............................... 21 Tabela 4.1- Consumo estimado no verão usando LEDs......................................... 24 Tabela 4.2 – Consumo estimado no inverno usando LEDS.................................... 25 Tabela 4.3 – Radiação diária média por localidade ............................................. 27 Tabela 4.4 – Quadro de cargas para o projeto de iluminação em LEDs ........... 31 Tabela 5.1 - Consumo estimado no verão usando lâmpadas eletrônicas........ 33 Tabela 5.2 - Consumo estimado no inverno usando lâmpadas eletrônicas..... 34 Tabela 5.3 – Quadro de cargas para o projeto de iluminação em 220V........... 39 Tabela 6.1 – Consumo de cada aparelho para o caso geral no verão............. 42 Tabela 6.2 - Consumo de cada aparelho para o caso geral no inverno........... 42 Tabela 6.3 – Quadro de cargas para o projeto de carga geral com fluorescentes ........................................................................................................................................ 53 Tabela 6.4 – Quadro de cargas para o projeto de carga geral com LEDs........ 54 Tabela 7.1 – Consumo de cada aparelho para o caso com pouca carga no verão ........................................................................................................................................ 56 Tabela 7.2 - Consumo de cada aparelho para o caso com pouca carga no inverno ........................................................................................................................................ 56 Tabela 7.3 – Quadro de cargas para o projeto de carga reduzida com fluorescentes ........................................................................................................................................ 66 Tabela 7.4 – Quadro de cargas para o projeto de carga reduzida com LEDs . 66
  6. 6. 6 Tabela 8.1 – Itens necessários utilizando a placa de LEDs..................................... 68 Tabela 8.2 – Itens necessários utilizando as lâmpadas eletrônicas...................... 68
  7. 7. 7 Sumário Lista de Figuras ........................................................................................................... ii Lista de Tabelas ..........................................................................................................v Sumário .......................................................................................................................6 1 Introdução ...........................................................................................................1 1.1 Motivação ........................................................................................................ 1 1.2 Objetivos ........................................................................................................... 3 1.3 Organização dos Capítulos ........................................................................... 4 2 Conhecimentos Básicos .....................................................................................5 2.1 Histórico da Energia Solar Fotovoltaica........................................................ 5 2.2 Painéis Fotovoltaicos ....................................................................................... 6 2.3 Baterias............................................................................................................ 12 2.4 Controladores de Carga.............................................................................. 13 2.5 Inversores......................................................................................................... 15 3 Alternativas de Iluminação ..............................................................................21 4 Projeto de Iluminação em 12V ........................................................................24 4.1 Cálculo do Consumo Diário......................................................................... 24 4.2 Dimensionamento da Baterias .................................................................... 25 4.3 Dimensionamento dos Painéis Fotovoltaicos ............................................ 26 4.4 Dimensionamento do Controlador de Carga .......................................... 29 4.5 Esquema de Ligação.................................................................................... 29 5 Projeto de Iluminação com Lâmpadas Eletrônicas.......................................33
  8. 8. 8 5.1 Cálculo do Consumo Diário......................................................................... 33 5.2 Dimensionamento da Baterias .................................................................... 34 5.3 Dimensionamento dos Painéis Fotovoltaicos ............................................ 34 5.4 Dimensionamento do Inversor..................................................................... 36 5.5 Dimensionamento do Controlador de Carga .......................................... 37 5.6 Esquema de Ligação.................................................................................... 38 6 Projeto de Tomadas para Uso Geral................................................................41 6.1 Cálculo do Consumo Diário......................................................................... 41 6.2 Dimensionamento das Baterias................................................................... 43 6.2.1 Projeto utilizando a placa de LEDs......................................................... 43 6.2.2 Projeto utilizando lâmpadas eletrônicas ............................................... 44 6.3 Dimensionamento dos Painéis Fotovoltaicos ............................................ 44 6.3.1 Dimensionamento utilizando placas de LEDs....................................... 44 6.3.2 Dimensionamento utilizando lâmpadas eletrônicas ........................... 45 6.4 Dimensionamento do Inversor..................................................................... 46 6.4.1 Dimensionamento utilizando placas de LEDs....................................... 47 6.4.2 Dimensionamento utilizando lâmpadas eletrônicas ........................... 48 6.5 Dimensionamento do Controlador de Carga .......................................... 49 6.5.1 Dimensionamento utilizando placas de LEDs....................................... 50 6.5.2 Dimensionamento utilizando lâmpadas eletrônicas ........................... 50 6.6 Esquemas de Ligação .................................................................................. 51 7 Projeto de Tomadas para Carga Reduzida ....................................................56
  9. 9. 9 7.1 Cálculo do Consumo Diário......................................................................... 56 7.2 Dimensionamento da Baterias .................................................................... 57 7.2.1 Projeto utilizando a placa de LEDs......................................................... 57 7.2.2 Projeto utilizando lâmpadas eletrônicas ............................................... 58 7.3 Dimensionamento dos Painéis Fotovoltaicos ............................................ 58 7.3.1 Dimensionamento utilizando placas de LEDs....................................... 58 7.3.2 Dimensionamento utilizando lâmpadas eletrônicas ........................... 59 7.4 Dimensionamento do Inversor..................................................................... 60 7.4.1 Dimensionamento utilizando placas de LEDs....................................... 61 7.4.2 Dimensionamento utilizando lâmpadas eletrônicas ........................... 61 7.5 Dimensionamento do Controlador de Carga .......................................... 62 7.5.1 Dimensionamento utilizando placas de LEDs....................................... 62 7.5.2 Dimensionamento utilizando lâmpadas eletrônicas ........................... 63 7.6 Esquemas de Ligação .................................................................................. 63 8 Análise dos Projetos ..........................................................................................68 8.1 Lista de Itens ................................................................................................... 68 8.2 Análise Crítica................................................................................................. 69 9 Conclusão..........................................................................................................70 10 Referências Bibliográficas ................................................................................71 11 Anexos ...............................................................................................................72 Anexo 1 - Fator de Demanda para instalações em geral .................................... 72 Anexo 2 – Tabela de Consumo Médio Mensal ....................................................... 76
  10. 10. 10
  11. 11. 1 1 Introdução 1.1 Motivação A comunidade do Pouso da Cajaíba, localizada no município de Paraty-RJ, possui cerca de 200 habitantes[Guilherme1] [8], é acessível apenas por barco, ou através de uma longa trilha na floresta, e nunca foi conectada ao sistema brasileiro de energia elétrica. [Guilherme2]O Laboratório de Fontes Alternativas de Energia (LAFAE/UFRJ) vem realizando ações no local desde o final de 2008. Atualmente a atividade conta créditos curriculares através do Requisito Curricular Complementar (RCC), coordenado pelo professore Guilherme Rolim. A Figura 1.1 mostra a localização da comunidade na região da Costa Verde fluminense. Figura 1.1 – Localização do Pouso da Cajaíba FONTE: Google Maps, 2010 [Guilherme3]A utilização da energia solar fotovoltaica para o projeto em questão é justificada devido às características peculiares do local (não ligação à rede convencional e alta luminosidade). Possui diversas vantagens se comparada com um gerador a diesel - alternativa também bastante adotada em sistemas isolados - não necessita de combustível, é silenciosa e não polui para gerar energia. [Guilherme4] Em 2003 foram instaladas algumas placas solares na região, através de um projeto do governo estadual em parceria com uma determinada empresa privada, porém como não houve manutenções periódicas, vários equipamentos se degradaram com o tempo ou deixaram de funcionar por utilização indevida, como algumas baterias e inversores [9].
  12. 12. 2 Atualmente, cerca de 90% da produção mundial de energia tem origem fóssil[Guilherme5], sendo o carvão ainda respondendo por grande parte desse total [2], o que contribui enormemente para a poluição atmosférica e o aquecimento global. Em média, uma pessoa consome o equivalente a 2 toneladas de carvão por ano para a produção de energia elétrica[Guilherme6]. Esse consumo obviamente não é uniforme no planeta, enquanto que um europeu médio consome mais de 6 toneladas por ano, um cidadão de Bangladesh não chega a consumir 0,15 toneladas, ou seja, 40 vezes menos [2]. Assim, a reflexão sobre novos hábitos de consumo e fontes de energia menos poluentes tem recebido um grande destaque nos últimos anos. A Figura 1.2 mostra uma comparação esquemática da energia que poderia ser produzida utilizando as várias reservas conhecidas de combustíveis no planeta de Urânio (gerando energia através da fissão nuclear), Gas Natural, Petróleo e Carvão; a energia incidente pelo sol durante um ano; e o consumo mundial. Pode- se observar claramente que a energia solar excede em cerca de 10.000 vezes a demanda anual do planeta, constituindo portanto um recurso com um potencial praticamente inesgotável a ser explorado.
  13. 13. 3 Figura 1.2 – Recursos energéticos conhecidos e o consumo mundial FONTE: Greenpro, 2004 A grande motivação deste trabalho vem justamente da oportunidade de se colocar em prática conhecimentos adquiridos em sala de aula de uma tecnologia relativamente nova e sustentável, realizando um projeto de engenharia que possa [Guilherme7]transformar a vida da comunidade local. Uma das maiores preocupações do RCC era justamente relativa à percepção dos moradores locais sobre o projeto, o objetivo não era substituir políticas públicas, mas sim melhorar a qualidade de vida da região levando em conta as demandas dos moradores e as tecnologias a nosso alcance. Várias reuniões foram realizadas com os moradores da região para entender suas reais necessidades e anseios, bem como explicar as limitações técnicas e econômicas do projeto. Assim, foi possível traçar metas e objetivos viáveis do ponto de vista prático e que correspondessem às expectativas dos moradores.
  14. 14. 4 1.2 Objetivos O objetivo deste trabalho é apresentar o projeto de um sistema fotovoltaico para uma casa sem energia elétrica no Pouso da Cajaíba, [Guilherme8]com quatro quartos, dois banheiros, uma sala, uma cozinha e uma varanda, como mostrado na Figura 1.1. A casa está localizada na parte oeste da praia do Pouso, sendo utilizada principalmente como uma residência de veraneio. Nosso desafio será realizar um projeto com equipamentos de baixo custo num sistema eficiente como um todo, devido às demandas do local e à baixa disponibilidade de recursos. Figura 1.1 - Planta da casa considerada [Guilherme9]Para o projeto, será levado em consideração a utilização das placas fotovoltaicas de 20W disponíveis no Laboratório de Fontes Alternativas de Energia (LAFAE/UFRJ). Será dado um grande destaque em modelar o consumo de energia o mais próximo possível da realidade, pois ao equilibrá-lo com a produção de energia, um possível super ou sub-dimensionamento será evitado. Uma vez que os painéis fotovoltaicos disponíveis são de baixa potência, os aparelhos a serem utilizados na casa deverão possuir uma alta eficiência e baixo consumo de energia, levando em conta se os preços praticados no mercado são condizentes. Um gasto maior na compra de equipamentos mais eficientes pode ser plenamente justificado num gasto menor com equipamentos do sistema
  15. 15. 5 fotovoltaico, como placas fotovoltaicas auxiliares, baterias ou inversores de grande potência. O trabalho esta dividido em sub-projetos levando em consideração apenas as necessidades de iluminação e as diversas cargas que poderão ser conectadas no sistema (aparelho de som, computador, carregador de celular, etc.). Assim, dependendo da disponibilidade de recursos, pode-se implementar um projeto em detrimento do outro. Serão levados em consideração ainda dois cenários distintos para cada sub- projeto: um durante o verão, quando o consumo é consideravelmente maior, e outro durante o inverno, quando a incidência solar é mais baixa. De posse desses dados, o sistema será dimensionado para funcionar corretamente mesmo no pior caso. Finalmente, será feita uma análise crítica das alternativas de alimentação de energia em 12, 127 ou 220V levando-se em conta a disponibilidade/preço dos equipamentos no mercado e a eficiência energética. Também será realizado o dimensionamento das baterias, painéis fotovoltaicos e inversores com modelos disponíveis no mercado. Como a maioria de suas características é normatizada, podem ser facilmente substituídos por outras marcas. 1.3 Organização dos Capítulos No Capítulo 1, foi realizada uma rápida apresentação da motivação e dos objetivos do trabalho. No Capítulo 2, serão abordados os principais conceitos e equipamentos relacionados à energia fotovoltaica, e calculada a eficiência de um inversor com dados medidos em laboratório. No Capítulo 3, serão apresentadas três alternativas inicialmente consideradas para iluminação da casa. Nos Capítulos 4, 5, 6 e 7, será abordado o dimensionamento propriamente dito dos equipamentos, considerando alguns cenários. No Capítulo 8, será apresentada a conclusão do trabalho.[Guilherme10]
  16. 16. 6 2 Conhecimentos Básicos 2.1 Histórico da Energia Solar Fotovoltaica A Energia Solar Fotovoltaica é a energia oriunda da transformação direta de luz em energia elétrica. Esse fenômeno foi descrito pela primeira vez em 1839 pelo físico francês Edmond Becquerel, ao relatar as propriedades do Selênio, que produzia uma corrente elétrica diretamente proporcional à radiação incidente. O assunto passou a receber um grande destaque a partir dos anos 60, durante a guerra fria, pois apesar de seu custo elevado, essa tecnologia se mostrou apropriada para suprir as demandas energéticas em missões aeroespaciais bem como para a manutenção de satélites. Devido à crise do petróleo na década de 70, investiram-se[Guilherme11] vultosos recursos em fontes alternativas de energia. As aplicações terrestres divergiam bastante das aplicações espaciais, agora era fundamental ter um balanço energético positivo, ou seja, os módulos fotovoltaicos deveriam produzir mais energia do que a energia que foi gasta na sua produção [1]. Outro grande desafio era reduzir seus custos de fabricação, visando sua popularização. Nessa época, foram desenvolvidas as células de silício policristalino, que eram muito mais fáceis e baratas de se fabricar, porém possuíam uma eficiência inferior aos modelos feitos com silício monocristalino. Programas governamentais de países como Alemanha, Espanha e Japão estimularam a aplicação doméstica dessa tecnologia, o que permitiu uma produção em escala, reduzindo ainda mais os custos. Atualmente também são bastante populares as células fotovoltaicas produzidas com filmes finos, estas utilizam ainda menos materiais e energia no seu processo de fabricação do que as de silício policristalino, o que justifica o seu preço mais acessível. Estas são bastante flexíveis mecanicamente, possibilitando aplicações em diversas situações. Como desvantagens possuem uma vida útil reduzida e um rendimento inferior às convencionais, necessitando assim de uma área maior para a mesma produção energética.
  17. 17. 7 Os sistemas fotovoltaicos podem ser divididos quanto às suas formas de aplicação: os sistemas autônomos e os sistemas ligados à rede elétrica. Em vários países europeus há diversas políticas de incentivo para que pequenos sistemas domésticos vendam sua energia à rede, usufruindo de tarifas especiais. No Brasil, não há regulamentação alguma sobre esse tipo de ligação, prevalecendo assim os sistemas autônomos, como o que será apresentado no presente trabalho. Nos sistemas ligados à rede, além dos geradores fotovoltaicos, é preciso conectar algum equipamento de proteção aos painéis, prevenindo-os de correntes reversas, além de um inversor, que transforme a energia - sempre gerada em corrente contínua - numa forma compatível com a rede elétrica, ou seja, em corrente alternada. A Figura 2.1 mostra o esquema básico de um pequeno sistema fotovoltaico ligado à rede. Figura 2.1 – Sistema Fotovoltaico ligado à rede elétrica Nos sistemas autônomos, é preciso um sistema de armazenamento de energia, papel comumente desempenhado pelas baterias. Deve-se proteger as baterias contra sobre-tensões, descargas excessivas, entre outros. Assim, é fundamental a utilização de um controlador de carga. Caso as cargas a serem conectadas não sejam compatíveis com a tensão da bateria, ou ainda, sejam em corrente alternada (mais comumente), também será preciso adotar um conversor ou inversor, como exemplificado na Figura 2.2. Falaremos mais detalhadamente sobre os componentes relativos a sistemas autônomos a seguir.
  18. 18. 8 Figura 2.2 – Sistema fotovoltaico autônomo 2.2 Painéis Fotovoltaicos Células solares ou fotovoltaicas são os elementos responsáveis pela transformação da energia solar em energia elétrica, estas utilizam as propriedades dos materiais semicondutores (na maioria dos casos, o Silício). Estes, quando devidamente dopados com elementos químicos como o Boro e o Fósforo, formam a chamada junção pn, num lado se concentram as cargas positivas, e no outro, as cargas negativas, criando um campo elétrico permanente que dificulta a passagem de elétrons de um lado para o outro. Caso um fóton incida com energia suficiente para excitar um elétron, haverá a circulação de corrente elétrica, gerando energia em corrente contínua, constituindo assim o chamado Efeito Fotovoltaico. Uma célula solar produz apenas cerca de 0,4 Volts no seu ponto de máxima potência, sendo necessário conectarem-se várias em série para obter-se tensões mais altas. Assim, a maioria dos painéis fotovoltaicos é composto por algo entre 36 a 72 células, produzindo tensões de saída apropriadas para sistemas CC de 12 a 24V. Uma simbologia comumente utilizada para representar as células e os painéis fotovoltaicos é apresentada na Figura 2.1, bem como o circuito elétrico equivalente para a célula solar.
  19. 19. 9 Figura 2.1 – Representação de uma célula fotovoltaica No modelo equivalente, a intensidade da corrente produzida varia linearmente com a incidência solar, a resistência paralela representa a corrente de fuga e a resistência série, a queda de tensão entre o semicondutor e os contatos elétricos. Tipicamente, a resistência série assume um valor de poucos miliohms, e a resistência paralela, de vários ohms. Com o auxílio do programa de simulação Circuit Maker, uma célula fotovoltaica foi modelada como um diodo do tipo 1N4001 com valores típicos nas resistências, uma resistência paralela de 200 , uma resistência série de 3m , e uma carga de tensão variável. Para uma corrente de 8A, os valores de corrente, tensão e potência na carga são apresentados na Figura 2.2 a seguir. Figura 2.2 – Simulação de uma célula fotovoltaica É possível observar que tanto na condição de curto-circuito (tensão na carga igual a zero) quanto em circuito aberto, a potência fornecida vale zero. Existe ainda um único ponto onde a potência fornecida é máxima, mais conhecido pela sua
  20. 20. 10 sigla em inglês: MPP (Maximum Power Point). Caso não haja um sistema de rastreio, em geral o sistema irá operar fora desse ponto. A potência nominal descrita pela maioria dos fabricantes corresponde a esse ponto, com uma incidência solar de 1000W/m2, equivalente a um dia de sol forte sem nuvens. Assim a maioria dos sistemas fotovoltaicos trabalha a maior parte do tempo abaixo do seu valor nominal. Caso a energia produzida por um único painel fotovoltaico não seja mais suficiente para suprir a demanda das cargas, é possível aumentar a geração simplesmente conectando outros painéis no sistema. Ao se conectar painéis em série, como mostrado Figura 2.3, a tensão de saída do sistema será proporcional à quantidade de painéis, porém o valor da corrente permanecerá o mesmo, permitindo assim o uso de cabos de mesma bitola. Um conjunto de painéis ligados em série forma uma fileira. A grande desvantagem dessa solução é que o sombreamento de um único módulo fotovoltaico afeta a produção da fileira como um todo. Figura 2.3 – Ligação de painéis em série Ao alocarmos painéis em paralelo, como mostrado na Figura 2.4, não iremos alterar o valor da tensão de saída, assim vários equipamentos que exigem uma determinada tensão de entrada utilizados no projeto para apenas um painel, como inversores e baterias poderão ser aproveitados. Como a corrente irá aumentar bastante, será necessário fazer uma reavaliação das quedas de tensão no sistema. Caso haja um sombreamento nessa configuração, apenas os módulos afetados deixarão de contribuir na geração de energia.
  21. 21. 11 Figura 2.4 – Ligação de painéis em paralelo Outra alternativa de interligação é conectar fileiras de painéis em paralelo, constituindo uma ligação série-paralelo, como mostrado na Figura 2.5. Essa configuração é bastante utilizada em projetos que exigem um determinado nível de tensão de saída, como nos sistemas ligados à rede. Figura 2.5 – Ligação de painéis em série-paralelo Caso uma corrente elétrica atravesse um painel fotovoltaico no sentido contrário ao que ele foi projetado, seu funcionamento pode ficar comprometido permanentemente, gerando os chamados ‘hot-spots’ nos modelos cristalinos. A fim de se evitar tais correntes, pode-se colocar diodos de bloqueio nas fileiras, porém isso causará perdas significativas de energia (até 2%). Assim, projetaremos fusíveis nas fileiras, que deverão ser substituídos sempre que houver um defeito.
  22. 22. 12 Uma das grandes preocupações nos sistemas fotovoltaicos é relativa aos efeitos de sombreamento, pois estes impedem a incidência solar em determinadas células. Caso uma pequena parte de um painel esteja sombreada, por exemplo, devido ao acúmulo de sujeira, isso pode ser suficiente para praticamente zerar a produção de energia não somente na área sombreada, mas em todo o ramo série correspondente. Em geral, os painéis são afixados com uma inclinação mínima de 15° para evitar o acúmulo de sujeira e que a água da chuva possa limpá-los. O levantamento de possíveis sombreamentos e o estudo do posicionamento do sol durante o ano é fundamental para o sucesso de qualquer projeto. A produção energética dos sistemas fotovoltaicos varia nos meses do ano, não somente devido às condições meteorológicas, mas também devido ao movimento da Terra ao redor do sol, como mostrado na Figura 2.6. No hemisfério sul, recomenda-se que as placas estejam viradas para o norte geográfico, enquanto que no hemisfério norte, recomenda-se que as placas estejam voltadas para o sul para se obter um melhor aproveitamento energético durante o ano. Figura 2.6 – Variação da posição do sol com as estações do ano Dependendo da inclinação dos painéis, pode-se produzir mais energia em determinadas épocas do ano em detrimento de outras, o que pode ser bastante interessante para o caso do consumo variar significativamente durante o ano (por exemplo, numa residência de veraneio). Como é de se esperar, tais ângulos variam de acordo com o posicionamento global (latitude e longitude) de onde será instalado o sistema. Muitas vezes, os aspectos visuais e arquitetônicos justificam a
  23. 23. 13 instalação dos painéis fotovoltaicos em inclinações diferentes da ótima, por exemplo, seguindo a inclinação do telhado. Os painéis disponibilizados pelo Lafae são feitos com a tecnologia de filme fino de silício amorfo, modelo MST-20LV, da marca BP Solarex. Devido ao efeito [Guilherme12]Staebler-Wronski [2], a eficiência dessas placas deverá cair nos primeiros 6 a 12 meses, até se estabilizar na potência nominal especificada. A Tabela 2.1 abaixo mostra os dados de placa dos painéis. Grandeza Inicial Nominal Potência Máxima 24,1 W 20 W Tensão de Circuito Aberto 22,3 V 22 V Corrente de Curto Circuito 1,72 A 1,56 A Tensão para Potência Máxima 17,2 V 16,2 V Corrente para Potência Máxima 1,40 A 1,30 A Tabela 2.1 – Dados de placa do painel MST-20LV Nos módulos convencionais (feitos de silício cristalino), a produção energética costuma cair para abaixo da potência nominal quando a temperatura nas células fotovoltaicas é superior aos 25°C, cenário bastante comum ao caso brasileiro. Já nos módulos amorfos, ocorre uma redução média de apenas 0,4% por grau Celsius, porém dependendo da radiação incidente, o coeficiente de temperatura pode inclusive assumir valores positivos, ou seja, o painel pode produzir mais potência para temperaturas superiores aos 25°C convencionais[Guilherme13] [2]. Outra grande vantagem desses módulos diz respeito à sensibilidade aos efeitos de sombreamento, pois dependendo do posicionamento das fitas e da direção do sombreamento, a potência produzida por esses painéis será menos afetada que seus equivalentes cristalinos. 2.3 Baterias Fontes convencionais de energia podem armazenar energia na forma de carvão, petróleo, gás natural, represas d’água, entre outros, e assim combinar a
  24. 24. 14 geração com o consumo. O grande desafio das fontes alternativas de energia como a solar e a eólica está justamente no fato que o consumo não se dá necessariamente no momento da geração. Nos sistemas interligados a rede, as fontes alternativas estarão produzindo energia sempre que os recursos estiverem disponíveis (sol, vento, etc.), enquanto que as fontes tradicionais atuarão quando a energia gerada não for suficiente para atender a carga. Nos sistemas autônomos, as fontes convencionais não estão disponíveis, sendo assim necessário armazenar a energia para o uso posterior, podendo ser adotados sistemas de bombeamento d’água, hidrogênio, fly-wheels, entre diversas outras formas, porém a solução mais amplamente divulgada e adotada é o uso de baterias devido a sua boa relação preço-eficiência. A célula eletroquímica é a unidade responsável pelo processo de acumulação de energia propriamente dito das baterias. São formadas basicamente por dois eletrodos isolados de diferentes polaridades (positivo e negativo) imersos num meio eletrolítico. No processo de descarga, o material ativo dos eletrodos reage quimicamente com o eletrólito liberando energia elétrica. Durante processo de carga é aplicada uma tensão superior à dos eletrodos, assim os elétrons fluirão na direção contrária e a reação química inversa ocorrerá, consumindo energia. Como as células possuem uma tensão nominal baixa para a maioria das aplicações, na maioria dos casos uma bateria é constituída por diversas células associadas em série ou paralelo, formando níveis de tensão e capacidade adequados. A Figura 2.1 abaixo mostra um esquema simplificado de uma célula. Figura 2.1 – Esquema de uma Célula Eletroquímica
  25. 25. 15 Como os processos de carga/descarga não são totalmente reversíveis, à medida que as descargas ocorrerem, a vida útil da bateria é reduzida. É observado que quanto maior for a profundidade da descarga, mais a sua vida útil será sacrificada, ou seja, caso se deseje que o nível de ciclos de uma bateria seja o maior possível, deverão ser realizadas apenas descargas fracas. A vida útil de uma bateria é definida como o tempo médio em que a bateria levará a possuir apenas 80% da sua capacidade nominal quando completamente carregada, levando em conta descargas diárias de 20%. As baterias de chumbo-ácido são as mais comumente utilizadas nos sistemas fotovoltaicos e podem ser divididas em três tipos principais: úmidas, de gel e seladas. As baterias úmidas são bastante utilizadas em automóveis, e devido à grande difusão têm o custo mais baixo, podendo fornecer uma alta corrente num curto período de tempo. Caso se opte por utilizar esse tipo em sistemas fotovoltaicos, o ideal é limitar seu nível de descarga em apenas 10% para que não se torne rapidamente inutilizável, o que implicaria um projeto envolvendo uma grande quantidade/capacidade de baterias. Também são fabricadas baterias úmidas especiais para aplicações solares, estas são produzidas de modo a maximizar a sua vida útil, atingindo 1.000 ciclos para descargas de 20%. É recomendado que os controladores de carga protejam as baterias contra descargas acima dos 50%. 2.4 Controladores de Carga Para que um banco de baterias seja carregado, é necessário que a tensão de carga seja sempre superior à tensão da bateria, caso contrário as baterias enviarão energia para o sistema. Essa tensão não deve ser superior a um determinado limite, uma vez que cargas muito rápidas diminuem a vida útil das baterias, havendo um ponto ótimo de funcionamento. Também é importante monitorar para que descargas muito profundas não ocorram, pois dependendo da intensidade, podem causar danos irreversíveis às baterias. Assim, é necessário um mecanismo que controle a tensão a ser aplicada no banco de baterias, e que não permita a circulação de corrente para os painéis. Os
  26. 26. 16 controladores de carga utilizam diodos de bloqueio que não permitem a circulação de corrente reversa, em geral possuem uma chave que desliga a carga caso a tensão baixe a determinado nível, e podem diferir no modo de proteção das baterias contra sobre cargas basicamente através de três formas: desligando o circuito dos geradores, curto-circuitando os painéis fotovoltaicos, ou ainda, através de um mecanismo MPP. Nos controladores tipo série, uma chave logo após os painéis fotovoltaicos permite desconectar o sistema quando as baterias estão plenamente carregadas, como mostrado na Figura 2.1. Figura 2.1 - Funcionamento de um Controlador Série Os controladores tipo paralelo possuem uma chave na entrada dos geradores fotovoltaicos, assim quando a tensão na bateria atinge sua tensão máxima, os painéis são curto-circuitados, como mostrado na Figura 2.2. Esse método consome menos energia e é mais eficiente com as baterias, sendo o mais comumente utilizado. Figura 2.2 – Funcionamento de um Controlador Paralelo Como nos controladores tipo série e paralelo é a tensão da bateria que determina o ponto de operação do sistema, em geral a operação se dá fora do
  27. 27. 17 ponto de máxima potência na maior parte do tempo. Nos controladores com um sistema de rastreio do MPP, um conversor CC-CC é conectado logo na saída dos painéis fotovoltaicos, e através de um sistema de rastreio, é determinado o ponto ótimo de operação, sendo a saída do conversor ajustada para a tensão de carga da bateria, como mostrado na Figura 2.3. Devido a sua maior complexidade, esses controladores são bem mais caros, e também devido às perdas no conversor CC- CC, normalmente são adotados apenas para os sistemas com potência instalada superior a 500W. Figura 2.3 - Funcionamento de um Controlador com MPP 2.5 Inversores Inversores são equipamentos que convertem energia elétrica de corrente contínua para corrente alternada, sendo por isso também conhecidos como conversores CC-CA. A maioria dos equipamentos elétricos que utilizamos no nosso dia-a-dia são alimentados em corrente alternada, compatível com a energia da rede elétrica que chega em nossas casas. Também são produzidos aparelhos especiais que podem ser conectados diretamente em corrente contínua (como a produzida nos painéis fotovoltaicos ou armazenada nas baterias), porém como são mais raros, em geral são demasiadamente caros e como sua produção é limitada, muitas vezes não são tão eficientes. A energia elétrica em corrente alternada na forma em que é encontrada na rede elétrica assemelha-se muito a uma senóide, assim, a maioria dos aparelhos são projetados para receber uma alimentação ao menos próxima a essa forma de onda. No entanto, alguns equipamentos, especialmente os eletrônicos, possuem um retificador de onda, assim, seu desempenho não será muito afetado pela forma da onda de entrada. Já outros aparelhos mais sensíveis, como máquinas elétricas,
  28. 28. 18 podem ter seu funcionamento prejudicado e a vida útil reduzida caso sejam conectadas a formas de onda muito distorcidas das senoidais. Podemos classificar os inversores quanto à forma de onda de saída, sendo os principais tipos: onda quadrada; senoidal modificada ou retangular; e senoidal pura. Observamos que há uma oferta grande de inversores de onda retangular no site [Guilherme14]Deal Extreme (www.dealextreme.com) a preços bastante convidativos, [Guilherme15]projetados provavelmente para se conectar aparelhos eletrônicos no carro, podendo ser aplicados aos sistemas fotovoltaicos dependendo do tipo de carga a ser conectada. A Figura 2.1 mostra claramente as diferenças entre as formas de onda. Observe que a forma de onda retangular é sensivelmente mais próxima da senóide que os de onda quadrada[Guilherme16], o que a torna mais adequada para mais aplicações. Os inversores de onda retangular são também conhecidos comercialmente como de onda trapezoidal ou senoidal modificada. Figura 2.1 – Formas de onda típicas de inversores
  29. 29. 19 O circuito básico de um inversor monofásico é apresentado na Figura 2.2, onde através de chaveamentos alterna-se a tensão de entrada. Os inversores mais complexos, ditos PWM (Pulse-Width-Modulated), possuem um chaveamento com larguras de pulso variáveis, o que permite uma tensão de saída bastante próxima de uma senóide, com um baixo nível de harmônicos. Nos modelos mais simples, como os de onda quadrada ou retangular, os pulsos possuem sempre a mesma largura. Figura 2.2 – Circuito básico de um inversor A Figura 2.3 mostra a curva característica de inversores senoidais, num gráfico de rendimento versus carga relativa (Potência Consumida sobre a Potência Nominal do inversor). Podemos facilmente observar que um inversor superdimensionado, não será apenas mais caro e mais pesado, também apresentará um rendimento consideravelmente inferior do que um dimensionado corretamente. Figura 2.3 – Curva característica para diversos modelos de inversor FONTE: Greenpro, 2004
  30. 30. 20 [Guilherme17]Como no presente projeto serão utilizados inversores de onda retangular, é provável que sua curva característica seja bastante diferente da mostrada na Figura 2.3. Num ensaio realizado em laboratório, foi montado um circuito para medir a potência de entrada e de saída em vários casos de carga puramente resistiva. Utilizando uma fonte de corrente contínua, um inversor de 200W, um osciloscópio, uma ponteira de prova de corrente com sensor hall e lâmpadas incandescentes de 40, 60, 150 e 200W, como mostrado no esquema da Figura 2.4, foram obtidas as medidas da Tabela 2.1. Figura 2.4 –Circuito montado para determinar a curva característica do inversor Tensão Entrada Corrente Entrada Tensão Saída RMS Corrente Saída RMS Carga Conectada 12 V 0,3 A 119,5 V 0 A 0 W 12 V 3,2 A 114,0 V 0,297 A 40 W 12 V 4,8 A 112,5 V 0,457 A 60 W 12 V 6,0 A 111,5 V 0,575 A 80 W 12 V 7,8 A 109,5 V 0,739 A 100 W 12 V 8,9 A 108,0 V 0,843 A 120 W 12 V 10,6 A 105,5 V 0,998 A 140 W 12 V 11,4 A 103,5 V 1,07 A 150 W 12 V 11,7 A 103,0 V 1,10 A 160 W 12 V 13,0 A 99,5 V 1,23 A 180 W 12 V 13,7 A 97,5 V 1,30 A 190 W 12 V 14,9->13,5A 88->86V 1,43->1,40A 200 W 12 V 14,9->13,4 93->86V 1,43->1,37A 210 W Tabela 2.1 – Dados do inversor coletados no laboratório Foi utilizado um osciloscópio Tektronix modelo TDS 2014, uma ponteira de prova de corrente AC/CC da marca Fluke, modelo 80i-110s, e uma fonte da marca Suplitec, modelo FA 6020, 0-60V, 0-20A, ajustada para 12V. A Figura 2.5 abaixo
  31. 31. 21 mostra a forma de onda da tensão medida no osciloscópio para o caso sem ligação de cargas. Figura 2.5 – Tensão de saída sem carga Pelos dados coletados, é fácil perceber que o inversor possui um consumo intrínseco de 3,6 W, medido quando ligado sem alimentar nenhuma carga. Para potências nominais iguais ou superiores à nominal do inversor, este não apresenta um comportamento desejável, diminuindo gradativamente a potência de entrada e de saída. Vale ressaltar que para os dois últimos dados coletados (200 e 210W), não esperamos o sistema estabilizar a fim de poupar o equipamento. Para levantar a curva característica do inversor, calculamos o rendimento de conversão para cada ponto pela fórmula mostrada abaixo: entradaentrada saídasaída entrada saída IV IV = P P =η ⋅ ⋅ A fim de obter um gráfico mais claro e também devido à ausência de medidas para uma carga nominal entre 0 e 40W, não foram utilizados nem o primeiro nem os 2 últimos pontos devido a suas características peculiares. Com o auxílio do MatLab foi possível plotar o gráfico mostrado na Figura 2.6, do rendimento do inversor considerado em relação à carga relativa (potência conectada dividido pelos 200W da potência nominal). Os pontos em ‘+’ são os valores medidos, e a linha desenhada é uma aproximação polinomial de 3º grau.
  32. 32. 22 Figura 2.6 – Curva de rendimento do Inversor de onda retangular É facilmente perceptível que a equação polinomial de 3º grau representa uma boa aproximação das nossas medidas, e que até valores em 80% da carga nominal, são obtidos valores bastante interessantes de eficiência. Assim, iremos projetar os inversores para trabalharem sempre entre 20 e 80% de seu valor nominal. Foram obtidos os seguintes coeficientes modelados através do comando Polyfit no Matlab para a eficiência (η) do sistema em função da carga relativa (x): 0.81720.53111.10920.5284 23 3 +x+xxη(x)=(x)p ⋅⋅−⋅≈ O valor médio do rendimento para os limites anteriormente descritos, é obtido aplicando o teorema do valor médio, como mostrado abaixo: ( ) ∫ ⋅⋅⋅−⋅⋅ − 0.80 0.20 23 0.81720.53111.10920.5284 2080 1 dx)+x+xx(=η Resolvendo essa simples integral, temos que:
  33. 33. 23 0.80 0.20 234 0.8172 2 0.5311 3 1.1092 4 0.5284 60 1       ⋅⋅⋅−⋅⋅ x+ x + xx =η 0.862≈η Será adotado então o valor de 86% nos cálculos como o valor de rendimento dos inversores DX dimensionados no presente projeto.
  34. 34. 24 3 Alternativas de Iluminação Neste capítulo serão analisadas três possíveis alternativas para a iluminação da casa: a utilização de lâmpadas incandescentes, lâmpadas fluorescentes compactas e pequenas placas de LEDs. Graças ao auxílio do pesquisador Ricardo Ficara e ao apoio do Laboratório de Iluminação do Centro de Pesquisas de Energia Elétrica (CEPEL), foi possível o uso de um equipamento para o presente trabalho, que forneceu a quantidade de lumens gerada por cada luminária, bem como a potência consumida e a corrente circulante para uma determinada tensão aplicada. O ensaio consistia em inserir a luminária numa grande esfera reflexiva, onde havia[Guilherme18] sensores capazes de converter luminosidade em corrente elétrica, permitindo assim que equipamentos eletrônicos pudessem fornecer uma medida bastante precisa da quantidade total de lumens produzida pela luminária, como esquematizado na Figura 3.1. Figura 3.1 – Funcionamento da esfera de medições Foi realizado um ensaio com a placa de LEDS de 2,88V, uma lâmpada eletrônica da Osram de 15W nominais e uma outra lâmpada incandescente da Osram de 60W, e assim, foram obtidos os resultados apresentados na Tabela 3.1. Luminária Tensão Aplicada Fluxo Luminoso Potência Corrente Placa de LEDs 12 VCC 106 lm 3,06 W 255 mA
  35. 35. 25 Fluorescente Compacta 127 VCA 864 lm 14,8 W 212 mA Incandescente 127 VCA 714 lm 61,4 W 484 mA Tabela 3.1 – Dados das luminárias coletados no laboratório Um modo de calcular a eficiência de lâmpadas é dividindo a quantidade de lumens produzida pela potência consumida. Assim, foram calculados cerca de 35 lm/W para a placa de LEDs, 58 lm/W na lâmpada fluorescente e 12 lm/W no caso da luminária incandescente. A Figura 3.2 mostra um gráfico comparativo da eficiência das lâmpadas em questão. Figura 3.2 – Eficiência das lâmpadas ensaiadas A grande vantagem da placa de LEDs consiste no fato ser alimentado diretamente em 12V (descartando a necessidade e as perdas de um inversor), possuir a menor potência e poder ser facilmente direcionado. Em alguns casos, pode ser desejável iluminar uma área extensa ao invés de um ponto localizado, como por exemplo, numa sala ou numa cozinha, assim torna-se interessante a utilização de uma luminária refletora junto com a placa de LEDs. Optamos pelo modelo encontrado à venda no site DealExtreme devido ao seu baixo consumo e preço, se comparado aos similares disponíveis no Brasil. Possíveis incômodos em adquiri-las deverão ser compensadas pela sua longa vida útil. A placa utilizada no ensaio é mostrada na Figura 3.3 abaixo.
  36. 36. 26 Figura 3.3 – Placa de 48 LEDs As lâmpadas incandescentes são as mais facilmente encontradas no mercado brasileiro, porém possuem a desvantagem de serem alimentadas em corrente alternada, uma curta vida útil, além de uma altíssima[Guilherme19] ineficiência. No ensaio realizado, apesar de termos utilizado uma lâmpada incandescente de 60W, ela produziu apenas 80% da quantidade de lumens da lâmpada fluorescente ensaiada, que possuía um consumo 4 vezes menor. Lâmpadas fluorescentes compactas - também chamadas de eletrônicas - são encontradas com facilidade no Brasil, e assim como as incandescentes não apresentam grandes dificuldades na instalação/reparo, e também são alimentadas em corrente alternada. A grande vantagem é que entre todas as lâmpadas pesquisadas, estas foram as que apresentaram a maior eficiência. O ponto negativo é que modelos com potência inferiores a 10W não são facilmente encontrados. O ensaio foi realizado com a lâmpada da Aram de 15W, mostrada na Figura 3.4.
  37. 37. 27 Figura 3.4 – Lâmpada Eletrônica Aram 15W Nos capítulos seguintes, serão projetados sistemas utilizando a lâmpada eletrônica e a placa de LEDs ensaiada. Devido ao alto consumo e grande ineficiência das lâmpadas incandescentes, descartou-se a sua possível utilização nos sistemas fotovoltaicos projetados.
  38. 38. 28 4 Projeto de Iluminação em 12V Foram realizados testes na casa com a placa de 48 LEDs alimentada por uma bateria de 12V (corrente contínua), e foi verificado que a mesma iluminava de maneira satisfatória, desde que bem posicionada. 4.1 Cálculo do Consumo Diário Como se trata de uma casa para veraneio, os consumos relativos aos meses de verão e de inverno serão significativamente diferentes, e por isso faremos duas estimativas de consumo. Adotamos apenas uma luminária por ambiente, pois apesar do fluxo luminoso da placa de LEDs ser bastante concentrado, consideramos que a mesma não ficará fixa, podendo ser direcionada para onde haja[Guilherme20] necessidade. Para os meses do verão, foi considerado que a casa estará com todos os cômodos plenamente ocupados. A Tabela 4.1 abaixo mostra o consumo estimado pelo autor para os meses de verão em cada ambiente adotando essa luminária de LEDs: Ambiente Quantidade Potência Nominal (W) Horas de uso/Dia Consumo Diário / (W.h) Varanda 1 2,88 6 17,28 Sala 1 2,88 3 8,64 Cozinha 1 2,88 3 8,64 Quarto 1 1 2,88 1 2,88 Quarto 2 1 2,88 1 2,88 Quarto 3 1 2,88 1 2,88 Quarto Suíte 1 2,88 1 2,88 Banheiro Suíte 1 2,88 2 5,76 Banheiro Comum 1 2,88 2 5,76 Tabela 4.1- Consumo estimado no verão usando LEDs Assim, é possível estimar um consumo diário em Wh para os meses de verão em:
  39. 39. 29 Wh=++++++++,=Cverão 57,65,765,762,882,882,882,888,648,642817 Durante o inverno, a casa é muito menos utilizada, assim será considerado que apenas a metade dos quartos será utilizada e se passará menos tempo na cozinha e nos banheiros do que durante o verão. A Tabela 4.2 abaixo mostra o consumo estimado pelo autor para os meses de inverno: Ambiente Quantidade Potência Nominal (W) Horas de uso/Dia Consumo Diário /(W.h) Varanda 1 2,88 6 17,28 Sala 1 2,88 3 8,64 Cozinha 1 2,88 2 5,76 Quarto 1 1 2,88 1 2,88 Quarto 2 1 2,88 0 0 Quarto 3 1 2,88 0 0 Quarto Suíte 1 2,88 1 2,88 Banheiro Suíte 1 2,88 1 2,88 Banheiro Comum 1 2,88 1 2,88 Tabela 4.2 – Consumo estimado no inverno usando LEDS Assim o consumo diário para os meses de inverno é estimado em: Wh=++++++++,=Cinverno 43,22,882,882,88002,885,768,642817 A potência total instalada na casa será dada por: W,==Pinstalada 922592,88⋅ 4.2 Dimensionamento da Baterias Como as baterias a serem dimensionadas não são de ciclo profundo, será considerada uma descarga diária de 20%. Uma vez que se trata de uma casa de veraneio, bastante clara e com diversas janelas em todos os cômodos (exceção aos banheiros), será suposto que o consumo se dará sempre à noite (pior caso, quando não há carregamento das mesmas). Assim, para o caso do verão, a energia nominal mínima das baterias deverá ser:
  40. 40. 30 Wh= Wh =Ebateria 288 0.2 57,6 E durante o inverno: Wh= Wh =Ebateria 216 0.2 43,2 Como a mesma bateria deverá suprir energia para as cargas durante o verão e o inverno, será utilizado o valor mais crítico, de 288Wh. Considerando que serão utilizadas baterias com tensão nominal de 12V (mais facilmente encontradas no mercado), tem-se que sua capacidade será dada por: Ah= Wh =Cbateria 24 12 288 Aproximando a descarga diária (20%) da bateria em 4h, a partir de uma simples regra de três teremos que a taxa de descarga completa se dará em 20h. Será necessário uma bateria do tipo 20C com 24A.h de capacidade, ou melhor. A partir da tabela para modelos FNC, nota-se que a bateria FNC 12260-C, com uma Capacidade Nominal de 26Ah atenderá bem às nossas necessidades. 4.3 Dimensionamento dos Painéis Fotovoltaicos Os cálculos aqui realizados serão feitos levando em conta os painéis disponibilizados pelo Laboratório de Fontes Alternativas de Energia, ou seja, as placas fotovoltaicas de filme fino da BP Solarex, modelo MST-20LV, de 20W nominais. Outros dados relevantes de placa estão apresentados na Tabela 2.1. A partir do programa Google Earth, obtivemos uma latitude aproximada de 271623 '° Sul e longitude de 583244 '° Oeste para o Pouso da Cajaíba, local onde será instalado o sistema fotovoltaico. Pesquisando por esses valores no sistema de dados Sundata (www.cresesb.cepel.br), encontra-se 3 localidades próximas: Ilha Guaíba, Angra dos Reis e Ubatuba. A Figura 4.1 mostra um gráfico com as
  41. 41. 31 radiações solares diárias médias mensais para cada localidade, fornecido pelo programa para uma inclinação de 0º. Figura 4.1 – Radiação diária média mensal para cada localidade FONTE: SunData/CRESESB, 2010 Para o dimensionamento dos nossos painéis fotovoltaicos, será considerado o mês com a menor incidência solar durante o verão e o inverno (pior caso), garantindo assim o pleno funcionamento do sistema durante todos os meses do ano. A Tabela 4.1 mostra as localidades, sua distância até o Pouso da Cajaíba e os menores índices de radiação durante o verão e durante o inverno. Localidade Distância (km) Menor Radiação Diária Média no Verão (khw/ m2.dia) Menor Radiação Diária Média no Inverno (khw/ m2.dia) Ilha Guaíba 36,8 4,75 3,31 Angra dos Reis 38 4,53 3,06 Ubatuba 56,2 4,28 2,94 Tabela 4.1 – Radiação diária média por localidade É facilmente observável que a maior incidência solar se dá justamente nos meses mais quentes do ano (entre novembro e março), onde provavelmente o
  42. 42. 32 consumo de energia será maior (alta temporada). Alterando a inclinação dos painéis solares pode-se obter uma distribuição de radiação solar mensal mais uniforme, como foi apresentado no Capítulo 2. Como não há um histórico de medições de radiação solar no Pouso da Cajaíba, para efeito de cálculo, será utilizado um valor médio das 3 localidades mais próximas para o pior caso durante o verão e durante o inverno: diakwhm ++ =Radiação s verão ⋅≈ 4,52 3 4,284,534,75 diakwhm ++ =Radiação s inverno ⋅≈ 3,10 3 2,943,063,31 Assim, tem-se cerca de 4,52 horas de sol pleno equivalente por dia no mês mais crítico do verão, e cerca de 3,10 horas de sol pleno equivalente por dia no mês mais crítico do inverno. Agora será calculada a potência mínima do sistema sem levar em conta as perdas, que deve ser suficiente para suprir o consumo diário nesses meses, tanto no caso do verão, quanto do inverno: W,=Potênciaverão 7412 4,52 57,6 ≈ W,=Potênciainverno 9413 3,10 43,2 ≈ Como os painéis devem ser dimensionados para o sistema funcionar corretamente tanto durante o verão quanto durante o inverno, utilizaremos o pior caso, ou seja, os 13,94W. Aproximando o total de perdas nos cabeamentos em 6%, perdas de conversão de energia na bateria (energia elétrica-química-elétrica) de 10% e outros 10% de perdas por desajuste (não utilização de um MPPT), tem-se que a potência mínima necessária será:
  43. 43. 33 ( ) ( ) ( ) W, , =Potêncianecessária 9317 0,1010,1010,061 9413 ≈ −⋅−⋅− E a quantidade de painéis: Painéismínimo= 17,9320≈ 0,90 Ou seja, caso se deseje fazer um projeto apenas para a iluminação da casa usando LEDs, seria necessário apenas uma única placa fotovoltaica de 20W nominais. A Reserva de Inverno (em %) é dada por: 5411100 9317 931720 , , , =Rinverno ≈⋅ − Para calcular o Excesso de Verão, será preciso primeiro saber a potência consumida durante esse período considerando as perdas. Assim, temos: ( ) ( ) ( ) W, , =Potênciaverão 7316 0,1010,1010,061 7412 ≈ −⋅−⋅− O Excesso de Verão (em %) é dado então: 5519100 7316 731620 , , , =Everão ≈⋅ − Pode-se perceber claramente que há uma tolerância para se utilizar as lâmpadas em períodos maiores do que o que dimensionamos, especialmente durante o verão, sem comprometer o bom funcionamento do sistema nem a vida útil das baterias. 4.4 Dimensionamento do Controlador de Carga O controlador de carga deverá permitir que as baterias sejam carregadas do modo ótimo, protegê-las contra sobrecargas, prevenir descargas indesejáveis, proteger descargas profundas, além de informar o estado de carga da bateria. Com isso tudo, aumenta-se em muito a vida útil das baterias e se protege os painéis fotovoltaicos contra correntes reversas.
  44. 44. 34 De acordo com a Tabela 1 da Recon (Anexo 1), pode-se utilizar um fator de demanda máximo igual a 0,8 para este caso, assim tem-se uma potência aparente máxima demandada igual a: VA,,=Dmáxima 742092250,8 ≈⋅ E a corrente máxima da carga, será então: A , =Imáxima 1,73 12 7420 ≈ 4.5 Esquema de Ligação[Guilherme21] A Figura 4.1 abaixo apresenta as ligações elétricas a serem efetuadas entre os componentes anteriormente descritos. Figura 4.1 – Esquema das ligações para o projeto de iluminação em LEDs A Figura 4.2 mostra a planta da casa e o cabeamento elétrico a ser efetuado, com os pontos de luz representando as posições aproximadas onde as luminárias de LEDs deverão ser alocadas.
  45. 45. 35 Figura 4.2 – Planta de instalação para o projeto de iluminação em LEDs A instalação pode ser dividida em 3 circuitos: (1) um abrangendo os quartos de solteiro; (2) outro abrangendo as áreas comuns (cozinha, sala e varanda); e finalmente, outro mais (3), a suíte e o banheiro social. Podemos observar que cada circuito abrange exatamente 3 luminárias. Para calcular a carga de cada circuito, utilizaremos o valor de 3,06 W por luminária, como foi apresentado no capítulo 3, Tabela 3.1. A Tabela 4.1 mostra as especificidades para cada circuito. Circuito Potência (VA) Tensão (V) Corrente (A) Cabo (mm2) Quartos (1) 9,18 12 0,765 2,5 Comuns (2) 9,18 12 0,765 2,5 Suíte (3) 9,18 12 0,765 2,5 Tabela 4.1 – Quadro de cargas para o projeto de iluminação em LEDs Utilizaremos uma queda de tensão máxima admissível de 1,5% desde o quadro de distribuição até a carga. Assim, a seção mínima do condutor será dada pela fórmula:
  46. 46. 36 ...)( (%) 1 2 22112 ++× × ×= lplp Ve S ρ Onde: • S é a seção mínima do condutor em mm 2 ; • ρ é a resistividade do cobre (=1/58 .mm2/m); • l é a distância até a carga em m; • e(%) é a queda de tensão aceitável em %; • V é a tensão em Volts; • p é a potência em W. Para um pé direito de 3 metros para a casa, e aproximando algumas distâncias com base na planta apresentada, teremos a seguinte memória de cálculo para cada circuito: Circuito 1: 3,06 x 15,5 = 47,43 3,06 x 15,5 = 47,43 3,06 x 10,5 = 32,13 ( ) 0273,213,3243,4743,47 12015,0 1 58 1 2 2 ≈++⋅ ⋅ ⋅⋅≥S A bitola com fabricação comercial existente mais próxima vale: Sescolhido=2,5mm2 Circuito 2: 3,06 x 9,0 = 27,54 3,06 x 10,5 = 32,13 3,06 x 15,0 = 45,90 ( ) 6853,190,4513,3254,27 12015,0 1 58 1 2 2 ≈++⋅ ⋅ ⋅⋅≥S
  47. 47. 37 .:. Sescolhido=2,5mm2 Circuito 3: 3,06 x 7,0 = 21,42 3,06 x 14,5 = 44,37 3,06 x 18,5 = 56,61 ( ) 9540,161,5637,4442,21 12015,0 1 58 1 2 2 ≈++⋅ ⋅ ⋅⋅≥S .:. Sescolhido=2,5mm2
  48. 48. 38 5 Projeto de Iluminação com Lâmpadas Eletrônicas Para esse projeto de iluminação, foi levado em consideração a Lâmpada eletrônica de 15W da Aram, que possui um fluxo luminoso equivalente ao de uma incandescente de 70W. A grande vantagem dessa lâmpada é que ela é facilmente encontrada em lojas no Brasil a um preço bastante acessível e possui uma ótima relação lumens produzidos/watt consumido. Mesmo sabendo que os modelos em 220V não são tão populares no estado do Rio de Janeiro,optou-se por adotar esse modelo devido à maior oferta de inversores para esse nível de tensão. 5.1 Cálculo do Consumo Diário Como essa lâmpada apresenta um fluxo luminoso bem mais disperso se comparada com os LEDs, será adotada apenas uma em cada cômodo, apesar dela ser fixa. Novamente, devido à grande diferença do consumo nos meses de verão e de inverno, serão realizadas duas estimativas de consumo. A Tabela 5.1 apresenta o consumo estimado para os meses de verão: Ambiente Quantidade Potência Nominal (W) Horas de uso/Dia Consumo Diário /(W.h) Varanda 1 15 6 90 Sala 1 15 3 45 Cozinha 1 15 3 45 Quarto 1 1 15 1 15 Quarto 2 1 15 1 15 Quarto 3 1 15 1 15 Quarto Suíte 1 15 1 15 Banheiro Suíte 1 15 2 30 Banheiro Comum 1 15 2 30 Tabela 5.1 - Consumo estimado no verão usando lâmpadas eletrônicas O consumo diário estimado para o verão será então dado por: Wh=++++++++=Cverão 300303015151515454590
  49. 49. 39 Durante o inverno, será considerado que apenas a metade dos quartos será utilizada, e também que se gastará menos tempo na cozinha e nos banheiros. A Tabela 5.2 abaixo mostra o consumo estimado para os meses de inverno: Ambiente Quantidade Potência Nominal (W) Horas de uso/Dia Consumo Diário /(W.h) Varanda 1 15 6 90 Sala 1 15 3 45 Cozinha 1 15 2 30 Quarto 1 1 15 1 15 Quarto 2 1 15 0 0 Quarto 3 1 15 0 0 Quarto Suíte 1 15 1 15 Banheiro Suíte 1 15 1 15 Banheiro Comum 1 15 1 15 Tabela 5.2 - Consumo estimado no inverno usando lâmpadas eletrônicas Assim, o consumo diário estimado para o inverno será: Wh=++++++++=Cinverno 2251515150015304590 Calculando a potência total instalada: W==Pinstalada 135915 ⋅ 5.2 Dimensionamento da Baterias Como explicado anteriormente, uma descarga diária média de 20% será considerada, então a energia demandada pelas baterias (levando em conta o pior caso, um consumo de 300W.h), e a capacidade (levando em conta os 12V de tensão terminal) serão dadas por: Wh= Wh =Ebateria 1500 0.2 300 Ah= Wh =Cbateria 125 12 1500
  50. 50. 40 Aproximando a descarga diária (20%) da bateria em 4h, a partir de uma simples regra de três, tem-se que a taxa de descarga completa se dará em 20h. Deve-se procurar por uma bateria do tipo 20C com 125A.h de capacidade, ou melhor. Sem levar em conta os preços, a partir da tabela para modelos FNC, percebemos que a bateria FNC 121500-C, com 150Ah de capacidade, atenderia bem esse caso. 5.3 Dimensionamento dos Painéis Fotovoltaicos Pelos mesmos motivos anteriormente citados, será levado em conta o modelo BP Solarex, MST-20LV para o dimensionamento dos painéis. Como calculado anteriormente, há cerca de 4,52 horas de sol pleno equivalente por dia no mês mais crítico do verão, e cerca de 3,10 horas de sol pleno equivalente por dia no mês mais crítico do inverno no Pouso da Cajaíba. Calculando a potência mínima do sistema sem levar em conta as perdas, que deve ser suficiente para suprir o consumo diário nesses meses, tanto no caso do verão, quanto do inverno, tem-se que: W,=Potênciaverão 3766 4,52 300 ≈ W,=Potênciainverno 5872 3,10 225 ≈ Levando em conta o pior caso, ou seja, durante o inverno,será preciso que o sistema forneça pelo menos 72,58W para as cargas, sem contar as perdas. Como os painéis devem ser dimensionados para o sistema funcionar corretamente tanto durante o verão quanto durante o inverno, será utilizado o pior caso, ou seja, os 72,58W. Levando em conta as perdas nos cabeamentos, as perdas de conversão de energia e as perdas por desajuste (não utilização de um MPPT), tem-se que a potência instalada necessária será:
  51. 51. 41 ( ) ( ) ( ) W, , =Potêncianecessária 3295 0,1010,1010,061 5872 ≈ −⋅−⋅− E o número de painéis necessários: Painéismínimo= 95,3220≈ 4,77 Assim, seriam necessários 5 painéis de 20W apenas para suprir a demanda das lâmpadas fluorescentes, dispostos na horizontal. A Reserva de Inverno (em %) é dada por: 4,91100 3295 3295100 ≈⋅ − , , =Rinverno Calculando a potência necessária durante o verão, temos: ( ) ( ) ( ) W, , =Potênciaverão 1787 0,1010,1010,061 3766 ≈ −⋅−⋅− O Excesso de Verão (em %) é dado então: 7214100 1787 1787100 , , , =Everão ≈⋅ − Durante o mês mais crítico do inverno, tem-se uma reserva de segurança de cerca de apenas 5%. Nesse caso, deve-se tomar cuidado em não utilizar as lâmpadas durante mais tempo do que o que foi dimensionado, sob risco de reduzir a vida útil das baterias. Já durante o verão há uma tolerância considerável para se utilizar as lâmpadas em períodos maiores do que o que foi dimensionado. 5.4 Dimensionamento do Inversor Uma vez que a energia produzida pelos painéis fotovoltaicos e armazenada na bateria é em corrente contínua e se deseja conectar uma carga de corrente alternada, torna-se necessário o uso de um inversor. De acordo com a Tabela 1 da Recon, como nossa unidade residencial terá uma potência total instalada inferior a
  52. 52. 42 1kVA, deveremos adotar um fator de demanda igual a 0,80. Assim, nossa demanda máxima igual a: W==Demandamáxima 1081350,80 ⋅ Logo, nosso inversor deverá possuir uma potência real mínima de 108W[Guilherme22], uma entrada em corrente contínua de 12V e uma saída em 220V (corrente alternada). Em geral, os inversores são dimensionados função da potência aparente, utilizando o fator de potência de 0.60 nominal das lâmpadas eletrônicas, teremos uma potência aparente máxima dada por: VA== fp P =S 180 0,60 108 Os valores de potência em Watts apresentados nos inversores Deal Extreme referem-se à potência máxima do inversor, caso alimentando uma carga puramente resistiva, o que não é o caso. Assim, será utilizada sempre a potência aparente para o seu dimensionamento. Como foi apresentado no Capítulo 2, a fim de que os inversores de onda retangular trabalhem com o máximo possível de eficiência, deveremos dimensioná-lo de modo que ele trabalhe com no máximo 80% da sua potência nominal. Há diversos modelos com preços bastante acessíveis disponíveis no site www.dealextreme.com, como mostrado na Figura 5.1 com 300W. Figura 5.1 – Inversor de 300W, 12VDC-220VAC
  53. 53. 43 Adotando o inversor dimensionado podemos calcular a carga relativa do inversor quando operando a plena carga,: %06100 300 180 ==Putilizada ⋅ Assim, se estará trabalhando sempre abaixo dos 80%, o que garante uma confortável eficiência de conversão e uma reserva estratégica, caso novas cargas venham a ser ligadas. Caso nenhuma carga esteja conectada, é recomendado que o botão do inversor seja desligado, evitando assim as perdas intrínsecas do equipamento. 5.5 Dimensionamento do Controlador de Carga O controlador de carga deverá permitir que as baterias sejam carregadas do modo ótimo, protegê-las contra sobrecargas, prevenir descargas indesejáveis, proteger descargas profundas, além de informar o estado de carga da bateria. Com isso tudo, aumenta-se em muito a vida útil das baterias e se protege os painéis fotovoltaicos contra correntes reversas. Como foi calculada uma demanda máxima de 108W, e de acordo com o fabricante um fator de potência igual a 0,60, teremos uma potência aparente igual a: VA== fp P =S 180 0,60 108 [Guilherme23] E uma corrente máxima no lado de corrente alternada de: A= V S =Imáxima 0,82 220 180 ≈ Considerando um rendimento de aproximadamente 86.2% (como calculado no capítulo 2), teremos a seguinte corrente no lado de corrente contínua: A,= Vη IV =Imáxima 4417 120.862 0,82220 12 220220 ≈ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅
  54. 54. 44 5.6 Esquema de Ligação A Figura 5.1 abaixo mostra o esquema das ligações a serem efetuadas para o projeto de iluminação em 220V. Figura 5.1 - Esquema das ligações para o projeto de iluminação em 220V A planta de instalação elétrica para esse projeto é apresentada na Figura 5.2, sendo que todos os cabos mostrados no esquema abaixo trabalham com uma tensão de 220V.
  55. 55. 45 Figura 5.2 – Planta de instalação para o projeto de iluminação em 220V O projeto foi dividido em 3 circuitos, como numerado na planta. Considerando o fator de potência nominal das luminárias igual a 0,60, utilizaremos uma potência aparente de 25VA para cada ponto de luz (15/0,6). Assim, montamos a Tabela 5.1. Circuito Potência (VA) Tensão (V) Corrente (A) Cabo (mm2) Quartos (1a, 1b e 1c) 75 220 0,341 1,5 Comuns (2a, 2b e 2c) 75 220 0,341 1,5 Suíte (3a, 3b, e 3c) 75 220 0,341 1,5 Tabela 5.1 – Quadro de cargas para o projeto de iluminação em 220V Para a queda de tensão, será utilizada a fórmula abaixo, e admitida uma queda tensão máxima de 1,5% entre o quadro de distribuição e as cargas. ...)( (%) 1 2 22112 ++× × ×= lplp Ve S ρ
  56. 56. 46 Onde: • S é a seção mínima do condutor em mm 2 ; • ρ é a resistividade do cobre (=1/58 .mm2/m); • l é a distância até a carga em m; • e(%) é a queda de tensão aceitável em %; • V é a tensão em Volts; • p é a potência em W. Supondo um pé direito de 3 metros para a casa, foram calculadas as seguintes seções mínimas para cada circuito: Circuito 1: 25 x 15,5 = 387,5 25 x 15,5 = 387,5 25 x 10,5 = 262,5 ( ) 0493,05,2625,3875,387 220015,0 1 58 1 2 2 ≈++⋅ ⋅ ⋅⋅≥S Como a menor seção de condutores encontrada no mercado é de 1,5 mm2, tem-se que pare esse caso: Sescolhido=1,5mm2 Circuito 2: 25 x 9,0 = 225 25 x 10,5 = 262,5 25 x 15,0 = 375 ( ) 0409,03755,262225 220015,0 1 58 1 2 2 ≈++⋅ ⋅ ⋅⋅≥S .:. Sescolhido=1,5mm2 Circuito 3: 25 x 7,0 = 175
  57. 57. 47 25 x 14,5 = 362,5 25 x 18,5 = 462,5 ( ) 0475,05,4625,362175 220015,0 1 58 1 2 2 ≈++⋅ ⋅ ⋅⋅≥S .:. Sescolhido=1,5mm2
  58. 58. 48 6 Projeto de Tomadas para Uso Geral Será feito um estudo de cargas comuns a residências possíveis de serem conectadas num sistema fotovoltaico de pequeno porte. Para tal, foram considerados um aparelho de som pequeno, um netbook, carregadores de celular, um pequeno ventilador e um refrigerador de pequeno porte. 6.1 Cálculo do Consumo Diário Uma boa estimativa para o número de horas que se utiliza cada aparelho numa residência doméstica está apresentada nos anexos desse trabalho, na tabela Procel/Cepel/Eletrobrás, também disponível na internet. Para o presente projeto, procurou-se utilizar aparelhos que possuíssem um baixo consumo, mas que ao mesmo tempo tivessem um preço condizente. Foram considerados o aparelho de som modelo AZ-302S da Philips, com um consumo nominal de 15W; o Netbook da Asus, que de acordo com medições feitas no laboratório, possui um consumo médio de 25W; e um ventilador de 30cm de diâmetro, modelo V-03 da Mondial (Figura 6.1). Figura 6.1 – Ventilador de 30cm, Mondial V-03 Para o frigobar, foi utilizada a tabela disponível no site do INMETRO, e resolveu-se considerar o modelo RE 80 da Electrolux com 79 litros, devido a sua alta eficiência e facilidade de se encontrar no mercado. Pode-se determinar seu
  59. 59. 49 consumo diário levando-se em conta o consumo mensal fornecido (17,4 kW.h), conforme mostrado abaixo: Consumodiário= Consumomensal 30dias = 17.400 30 = 580W .h Novamente, devido às diferenças de consumo nos meses de verão e de inverno, os dois casos foram considerados. A Tabela 6.1 abaixo mostra as demandas por aparelho durante o verão. Aparelho Quantidade Potência Nominal (W) Horas de uso/Dia Consumo Diário /(W.h) Som Pequeno 1 15 4 60 Netbook 1 25 3 75 Carregador de Celular 2 2,5 1 5 Ventilador Pequeno 1 45 8 360 Frigobar 1 65 intermitente [Guilherme24] 580 Tabela 6.1 – Consumo de cada aparelho para o caso geral no verão Assim, pode-se estimar um consumo diário no verão em: Wh=++++=Cverão 108058036057560 Como não faz sentido fazer um projeto levando em conta apenas as tomadas, serão somadas a carga calculada nos capítulos 4 e 5 para os projetos de iluminação utilizando LEDs e lâmpadas fluorescentes compactas, respectivamente. Assim tem-se que: Wh=+=C LEDs+verão 1137,657,61080 Wh=+=C tesFluorescen+verão 13803001080 Durante o inverno, será considerado que não se ligará o ventilador, se passará menos tempo no computador e o aparelho de som será menos utilizado, pode-se então estimar o consumo como mostrado na Tabela 6.2 abaixo:
  60. 60. 50 Aparelho Quantidade Potência Nominal (W) Horas de uso/Dia Consumo Diário /(W.h) Som Pequeno 1 15 3 45 Netbook 1 25 2 50 Carregador de Celular 2 2,5 1 5 Ventilador Pequeno 1 45 0 0 Frigobar 1 65 ? 580 Tabela 6.2 - Consumo de cada aparelho para o caso geral no inverno O consumo diário estimado desses equipamentos para o inverno será então dado por: Wh=+++=Cinverno 67558055045 Novamente levando em conta as lâmpadas, tem-se os seguintes valores de consumo nos meses de inverno: Wh=+=C LEDs+inverno 718,243,2675 Wh=+=C tesFluorescen+inverno 900225675 A potência total instalada irá depender da alternativa adotada, se utilizará as placas de LEDs ou as lâmpadas fluorescentes compactas, considerando os valores calculados nos capítulos 4 e 5, teremos: ( ) ( ) W,=,+++++=P LEDs+instalada 92180922565452,522515 ⋅ ( ) ( ) W=+++++=P tesFluorescen+instalada 29013565452,522515 ⋅ 6.2 Dimensionamento das Baterias Para levar em conta os dois cenários, um utilizando como alternativa de iluminação as placas de LEDs, e outro, as lâmpadas fluorescentes compactas, será necessário realizar dois dimensionamentos distintos, um para cada caso.
  61. 61. 51 6.2.1 Projeto utilizando a placa de LEDs Nesse tópico será feito o dimensionamento das baterias levando em conta que se optou por adotar as placas de LEDs como luminárias. Considerando uma descarga diária média de 20%, calcula-se a energia demandada e a capacidade das baterias (de 12V) para o pior caso, ou seja, durante o verão: Wh= Wh =Ebateria 5688 0.2 1137,6 Ah Wh =Cbateria 474 12 5688 ≈ Aproximando a descarga diária (20%) da bateria em 7h, a partir de uma simples regra de três tem-se que a taxa de descarga completa se dará em 35h. Deve-se procurar por uma bateria do tipo C35 com 474Ah de capacidade, ou melhor. Como não há fabricação comercial em grande escala de baterias com mais de 200Ah, pode-se optar por utilizar um banco de baterias em paralelo. Quatro baterias do modelo FNC 121200-C com uma capacidade nominal de 120Ah de 12V atendem as necessidades. 6.2.2 Projeto utilizando lâmpadas eletrônicas As baterias serão dimensionadas considerando um projeto com as lâmpadas fluorescentes compactas de 15W. Para uma descarga diária média de 20%, a energia demandada e a capacidade das baterias (de 12V) para o pior caso serão dados por: Wh= Wh =Ebateria 6900 0.2 1380 Ah Wh =Cbateria 575 12 6900 ≈ Aproximando a descarga diária (20%) da bateria em 7h, a partir de uma simples regra de três, tem-se que a taxa de descarga completa se dará em 35h.
  62. 62. 52 Deve-se procurar uma bateria do tipo C35 com 575Ah de capacidade, ou melhor. Como não há fabricação comercial em grande escala de baterias com mais de 200Ah, pode-se optar por utilizar um banco de baterias em paralelo. Cinco baterias do modelo FNC 121200-C com uma capacidade nominal de 120Ah de 12V atendem as nossas necessidades. 6.3 Dimensionamento dos Painéis Fotovoltaicos Como foi mostrado nos itens anteriores, os projetos utilizando placas de LEDs e lâmpadas fluorescentes compactas são bastante distintos, cada um possuindo necessidades diferentes de geração, assim, o dimensionamento dos painéis fotovoltaicos será feito levando em consideração cada caso específico. 6.3.1 Dimensionamento utilizando placas de LEDs Levando em conta as horas de sol pleno equivalente calculada anteriormente, cerca de 4,52 horas de sol pleno equivalente por dia no mês mais crítico do verão, e cerca de 3,10 horas de sol pleno equivalente por dia no mês mais crítico do inverno. A potência mínima do sistema sem levar em conta as perdas, necessária para suprir o consumo diário nesses meses, tanto no caso do verão, quanto do inverno será dada por: W,=Potênciaverão 68251 4,52 1137,6 ≈ W,=Potênciainverno 68231 3,10 718,2 ≈ Nesse caso, a situação mais crítica acontece durante o verão. Os painéis serão dimensionados para esse caso. Levando em conta as perdas nos cabeamentos, as perdas de conversão de energia e as perdas por desajuste (não utilização de um MPPT), tem-se que a potência instalada necessária será: ( ) ( ) ( ) W, , =Potêncianecessária 55330 0,1010,1010,061 68251 ≈ −⋅−⋅−
  63. 63. 53 E número de painéis necessários: 5316 20 330,55 ,=Painéismínimo ≈ Assim, são necessários 17 painéis de 20W para suprir o consumo dos aparelhos e dos LEDs. A Reserva no Verão (em %) é dada por: 2,86100 55330 55330340 ≈⋅ − , , =Rverão Para o cálculo do Excesso no Inverno, é preciso conhecer a Potência Necessária no inverno, que é dada por: ( ) ( ) ( ) W, , =Potênciainverno 28304 0,1010,1010,061 68231 ≈ −⋅−⋅− O Excesso no Inverno (em %) é dado então: 7411100 28304 28304340 , , , =Einverno ≈⋅ − Como é facilmente observável, o consumo durante o verão está bem próximo do limite, e para não comprometer o bom funcionamento do sistema, não se deve utilizar mais cargas do que o projetado. Já durante o inverno, há um excesso considerável de energia, sendo possível a conexão de mais cargas ou aumentar o tempo de uso das demais. 6.3.2 Dimensionamento utilizando lâmpadas eletrônicas Caso se opte por um projeto considerando as lâmpadas fluorescentes compactas, tem-se que a potência mínima diária para os meses críticos, sem levar em conta as perdas, será dada por: W,=Potênciaverão 31305 4,52 1380 ≈ W,=Potênciainverno 32290 3,10 900 ≈
  64. 64. 54 É facilmente observável que a situação mais crítica se dá durante o verão. Para esse caso, e levando em conta as perdas nos cabeamentos, as perdas de conversão de energia e as perdas por desajuste (não utilização de um MPPT), tem- se que a potência mínima de geração será dada por: ( ) ( ) ( ) W, , =Potêncianecessária 98400 0,1010,1010,061 31305 ≈ −⋅−⋅− E número de painéis necessários: Painéismínimo= 400,9820≈ 20,05 Serão precisos 21 painéis para suprir com folga os aparelhos mencionados e as lâmpadas eletrônicas. A Reserva no Verão (em %) é calculada como sendo: 4,74100 98400 98400420 ≈⋅ − , , =Rverão Antes de calcularmos o Excesso no Inverno, precisa-se estimar a Potência Necessária no inverno, dada por: ( ) ( ) ( ) W, , =Potênciainverno 29381 0,1010,1010,061 32290 ≈ −⋅−⋅− O Excesso no Inverno (em %) é dado então: 1510100 29381 29381420 , , , =Einverno ≈⋅ − Há um excesso de energia bastante considerável no inverno, sendo possível a conexão de outras cargas ou aumentar o tempo de utilização das demais durante essa estação. 6.4 Dimensionamento do Inversor Novamente serão realizados dois dimensionamentos: um considerando a alternativa de se utilizar placas de LEDs como iluminação, e o outro, utilizando as lâmpadas fluorescentes compactas. Especialmente no caso de aparelhos ligados à
  65. 65. 55 tomada, é importante deixar uma folga considerável ao dimensionar um inversor a fim de suportar com tranqüilidade um possível aumento da carga e a corrente de partida de algumas máquinas. Vale ressaltar que os inversores a serem dimensionados (disponíveis no site DealExtreme.com) possuem uma forma de onda de saída do tipo retangular, o que implica que a vida útil de algumas máquinas elétricas - como o ventilador ou o frigobar – será reduzida, devido à quantidade de harmônicos envolvida. Aparelhos eletrônicos como celulares ou laptops possuem um retificador em suas fontes, e são praticamente insensíveis a forma de onda de entrada, dispensando maiores preocupações. Não está no âmbito desse trabalho, mas pode ser útil projetar filtros de harmônicos na entrada de algumas máquinas.[Guilherme25] 6.4.1 Dimensionamento utilizando placas de LEDs Como a nossa carga é referente a pouquíssimos aparelhos, será considerado um fator de demanda igual a 1, pois a probabilidade de que todos os aparelhos estejam ligados ao mesmo tempo não é desprezível. Como os LEDs são alimentados em corrente contínua, eles não entrarão no cálculo da demanda máxima do inversor. Considerando um fator de potência igual a 0,8 para as cargas, tem-se que: ( ) VA ++++ =Demanda LEDscom 75,931 8,0 65452,522515 1,00_max_ ≈ ⋅ ⋅ [Guilherme26] Como mostrado no capítulo 2, o ideal seria que o ponto de operação do nosso inversor de onda senoidal modificada seja sempre inferior a 80%, a fim de garantir uma maior eficiência, e também uma reserva estratégica. Assim, a potência do inversor deveria ser superior a: W=Pmínima 19,242 0,80 193,75 ≈ Agora também será preciso levar em consideração as correntes de partida das máquinas elétricas que o inversor deverá suportar. Para tal, será considerado que a corrente mínima que o inversor deverá suportar sendo igual a corrente de
  66. 66. 56 partida das máquinas mais as correntes de regime permanente dos demais aparelhos. Aproximando a corrente de partida do frigobar e do ventilador como sendo igual a 5 vezes sua corrente nominal, teremos que a corrente de saída do inversor deverá ser igual a, pelo menos: ( ) ( ) A + =Imínimo 705,2 220 5,222515 220 6545 5,00 ≈ ⋅++ +⋅ Calculando a potência correspondente a essa corrente, tem-se que: VA=Pmínima 1,595705,2202 ≈⋅ Assim, o pior caso corresponde a corrente necessária para a partida, e o nosso inversor precisará fornecer uma potência superior a 595W. Entre os modelos disponíveis no DealExtreme, o inversor com a potência imediatamente superior é de 600W, como mostrado na Figura 6.1. Assim, teríamos que a potência utilizada durante o regime permanente seria de: %29,23100 600 193,75 ==Putilizada ⋅ Figura 6.1 – Inversor de 600W, 12VDC-220VAC
  67. 67. 57 6.4.2 Dimensionamento utilizando lâmpadas eletrônicas Novamente será considerado o fator de demanda dos aparelhos igual a 1 e o fator de demanda das lâmpadas eletrônicas igual a 0,8. O fator de potência para lâmpadas é dado por 0,60 e aproximando o fator de potência das cargas em 0,80, tem-se que a demanda máxima durante o regime permanente será dada por: ( ) ( ) VA=+ ++++ =Demanda tesfluorescencommáxima 75,373 60,0 135 0,8 80,0 65452,522515 1,00__ ⋅ ⋅ ⋅ Como explicado e demonstrado anteriormente, deve-se procurar utilizar um inversor que trabalhe com no máximo 80% de sua potência nominal, a fim de se operar nos pontos de alta eficiência e ainda com uma reserva estratégica. Assim, levando em conta apenas o caso do regime permanente, a potência nominal mínima necessária do inversor seria dada por: W,==Pmínima 75328 0,80 263 Agora levando em conta as correntes de partida dos aparelhos, tem-se que a corrente mínima que o inversor precisará suportar será de: ( ) ( ) A + =Imínimo 195,3 220 135 80,0 220 5,222515 220 6545 5,00 ≈⋅+ ⋅++ +⋅ Calculando a potência correspondente a essa corrente, tem-se que: VA=Pmínima 703195,3202 ≈⋅ O caso mais crítico considerado é novamente para atender a corrente de partida, entre os modelos disponíveis no DealExtreme, o inversor com a potência imediatamente superior é de 800W, como mostrado na Figura 6.1. A Potência utilizada em regime permanente será dada por: 32,875%100 800 263 ≈⋅=Putilizada
  68. 68. 58 Figura 6.1 – Inversor de 800W, 12VDC-220VAC 6.5 Dimensionamento do Controlador de Carga O controlador de carga deverá permitir que as baterias sejam carregadas do modo ótimo, protegê-las contra sobrecargas, prevenir descargas indesejáveis, proteger descargas profundas, além de informar o estado de carga da bateria. Com isso tudo, aumenta-se em muito a vida útil das baterias e se protege os painéis fotovoltaicos contra correntes reversas. 6.5.1 Dimensionamento utilizando placas de LEDs Considerando o fator de demanda igual a 0,80 e um fator de potência unitário para placas de LEDs, e um fator de potência de aproximadamente 0,80 para as cargas conectadas na tomada, pode-se calcular a potência aparente total da carga: VA,+ , = fp fdP =S i i 49214 0,80 1,00155 1,00 0,809225 ≈ ⋅⋅⋅ ∑ A corrente máxima no lado de corrente alternada durante o regime permanente será dada por: A= V S =I tomadasmáximo 0,88 0,80220 155 ≈ ⋅
  69. 69. 59 Para o rendimento calculado no capítulo 2 (aproximadamente 86,2%), tem- se a seguinte corrente no lado de corrente contínua do inversor: 7218 120,862 0,88220 12 220220 ,= Vη IV =Imáxima ≈ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ A , = V S =I LEDsmáximo 1,73 12 0,809225 ≈ ⋅ A corrente total que o controlador de carga precisará suportar durante o regime permanente será então dada por: A,=,+=I rscontrolado 452072181,73 Durante a partida das máquinas, tem-se uma corrente bastante alta durante um curtíssimo intervalo de tempo, que o controlador de carga também precisará suportar. Considerando uma corrente de partida das máquinas igual a 5 vezes a nominal, tem-se que: ( ) ( ) A + =I otransitóri 90,7173,1 862,080,012 220 220 5,222515 220 6545 5,00 ≈+ ⋅⋅ ⋅      ⋅++ +⋅ 6.5.2 Dimensionamento utilizando lâmpadas eletrônicas Para um fator de demanda igual a 0,80 e um fator de potência igual a 0,60 para as lâmpadas fluorescentes compactas (dados do fabricante), e um fator de potência de aproximadamente 0,80 para as cargas conectadas na tomada, tem- se que: VA,=+= fp fdP =S i i 75373 0,80 1,00155 0,60 0,80135 ⋅⋅⋅ ∑ E uma corrente máxima no lado de corrente alternada do inversor de A , = V S =Imáxima 1,70 220 75373 ≈
  70. 70. 60 Calculando a corrente necessária no lado de corrente contínua, e considerando o valor de rendimento obtido no capítulo 2, tem-se que a corrente necessária durante o regime permanente será dada por: A,= Vη IV =I rcontrolado 1636 120.862 1,70220 12 220220 ≈ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ Para o regime transitório, considerando as correntes de partida como sendo iguais a 5 vezes sua corrente nominal, tem-se que: ( ) ( ) A + =I otransitóri 30,89 862,012 220 60,0220 80,0135 80,0220 5,222515 80,0220 6545 5,00 ≈ ⋅ ⋅      ⋅ ⋅ + ⋅ ⋅++ + ⋅ ⋅ 6.6 Esquemas de Ligação O diagrama de ligações para o projeto realizado com placas de LEDs está esquematizado na Figura 6.1, enquanto que o projeto realizado com lâmpadas fluorescentes está esquematizado na Figura 6.2. Figura 6.1 – Esquema das ligações para o projeto de carga geral com placas de LEDs
  71. 71. 61 Figura 6.2 - Esquema das ligações para o projeto de carga geral com fluorescentes A instalação elétrica para o projeto com lâmpadas fluorescentes é mostrada na Figura 6.3. Todos os cabos representados na figura são de corrente alternada, com tensão nominal de 220V. Já a Figura 6.4 mostra o projeto de instalação elétrica caso seja adotada a alternativa de iluminação em LEDs. Nesse caso, haverão cabos transmitindo corrente alternada e cabos transmitindo corrente contínua, como esquematizado no desenho.
  72. 72. 62 Figura 6.3 – Planta de instalação elétrica para o projeto de carga geral com fluorescentes Figura 6.4 - Planta de instalação elétrica para o projeto de carga geral com LEDs
  73. 73. 63 Pode-se observar que o projeto está dividido em 2 tipos de circuitos: os números seguidos por uma letra, representando os circuitos de iluminação, e os números puros, representando os circuitos de força. Para o projeto utilizando as lâmpadas fluorescentes, foi montada a Tabela 6.1 abaixo. Levando em conta o fator de potência nominal das luminárias igual a 0,60, foi utilizada uma potência aparente de 25VA para cada ponto de luz. Circuito Potência (VA) Tensão (V) Corrente (A) Cabo (mm2) 1a, 1b, 1c 75 220 0,341 1,5 2a, 2b, 2c 75 220 0,341 1,5 3a, 3b, 3c 75 220 0,341 1,5 1 100 220 0,455 1,5 2 300 220 1,364 1,5 3 300 220 1,364 1,5 Tabela 6.1 – Quadro de cargas para o projeto de carga geral com fluorescentes A Tabela 6.2 abaixo foi montada para o projeto utilizando as placas de LEDs. Observe que na tabela são apresentados tanto valores em corrente contínua (para a tensão de 12V) quanto para corrente alternada (220V). Circuito Potência (VA) Tensão (V) Corrente (A) Cabo (mm2) 1a, 1b, 1c 9,18 12 0,765 2,5 2a, 2b, 2c 9,18 12 0,765 2,5 3a, 3b, 3c 9,18 12 0,765 2,5 1 100 220 0,455 1,5 2 300 220 1,364 1,5 3 300 220 1,364 1,5 Tabela 6.2 – Quadro de cargas para o projeto de carga geral com LEDs Os cálculos referentes a queda de tensão nos circuitos de iluminação já foram exibidos em outros capítulos. No presente capítulo serão mostrados apenas os cálculos para os circuitos de força. Será admitida uma queda tensão máxima de 1,5% e utilizar-se-á a seguinte fórmula: ...)( (%) 1 2 22112 ++× × ×= lplp Ve S ρ
  74. 74. 64 Onde: • S é a seção mínima do condutor em mm 2 ; • ρ é a resistividade do cobre (=1/58 .mm2/m); • l é a distância até a carga em m; • e(%) é a queda de tensão aceitável em %; • V é a tensão em Volts; • p é a potência em W. Para um pé direito de 3m, e cumprindo os critérios descritos acima, serão necessárias as seguintes bitolas para os circuitos de força: Circuito 1: 100 x 13,5 = 1350 ( ) 0641,01350 220015,0 1 58 1 2 2 ≈⋅ ⋅ ⋅⋅≥S Como a menor seção de condutores encontrada no mercado é de 1,5 mm2, tem-se que pare esse caso: Sescolhido=1,5mm2 Circuito 2: 300 x 13,5 = 4050 ( ) 1924,04050 220015,0 1 58 1 2 2 ≈⋅ ⋅ ⋅⋅≥S .:. Sescolhido=1,5mm2 Circuito 3: 300 x 17,5 = 5250 ( ) 2494,05250 220015,0 1 58 1 2 2 ≈⋅ ⋅ ⋅⋅≥S .:. Sescolhido=1,5mm2
  75. 75. 65 7 Projeto de Tomadas para Carga Reduzida O presente capítulo abordará um projeto que não utiliza motores, apenas cargas com um baixo consumo de potência, prováveis de serem conectados ao sistema. 7.1 Cálculo do Consumo Diário A Tabela 7.1 abaixo mostra o consumo por aparelho estimado durante o verão: Aparelho Quantidade Potência Nominal (W) Horas de uso/Dia Consumo Diário /(W.h) Som Pequeno 1 15 4 60 Netbook 1 25 3 75 Carregador de Celular 2 2,5 1 5 Tabela 7.1 – Consumo de cada aparelho para o caso com pouca carga no verão O consumo diário dessas cargas no verão será dado por: Wh=++=Cverão 14057560 Novamente, como não faz sentido fazer um projeto elétrico sem levar em conta a iluminação dos ambientes, será somado a esse valor o consumo das duas alternativas estudadas para iluminação: placas de LEDs e lâmpadas fluorescentes compactas: Wh=+=C LEDs+verão 197,657,6140 Wh=+=C tesFluorescen+verão 440300140 Para o inverno, o consumo estimado é apresentado na Tabela 7.2 abaixo: Aparelho Quantidade Potência Nominal (W) Horas de uso/Dia Consumo Diário /(W.h) Som Pequeno 1 15 3 45 Netbook 1 25 2 50
  76. 76. 66 Carregador de Celular 2 2,5 1 5 Tabela 7.2 - Consumo de cada aparelho para o caso com pouca carga no inverno Assim pode-se estimar o seguinte valor para o consumo diário dessas cargas durante os meses de inverno: Wh=++=Cinverno 10055045 Levando em consideração a energia gasta com iluminação para as duas alternativas, chega-se aos seguintes valores de consumo: Wh=+=C LEDs+invernoo 143,243,2100 Wh=+=C tesFluorescen+inverno 325225100 Calculando a potência total instalada para os dois casos: ( ) ( ) W,=,+++=P LEDs+instalada 927092252,522515 ⋅ ( ) ( ) W=+++=P tesFluorescen+instalada 1801352,522515 ⋅ 7.2 Dimensionamento da Baterias O projeto de tomadas com pouca carga será estudado e analisado para as duas alternativas de iluminação separadamente, uma vez que irão requerer um dimensionamento específico para cada componente. 7.2.1 Projeto utilizando a placa de LEDs Caso se escolha a alternativa das placas de LEDs como iluminação, o sistema deve ser dimensionado para uma descarga diária média das baterias de 20% e projeta-se a energia demandada e a capacidade das baterias (de 12V) para o pior caso, ou seja, durante o verão: Wh= Wh =Ebateria 988 0.2 197,6
  77. 77. 67 Ah Wh =Cbateria 82.33 12 988 ≈ Aproximando a descarga diária (20%) da bateria em 7h, a partir de uma simples regra de três tem-se que a taxa de descarga completa se dará em 35h. Deve-se procurar uma bateria do tipo 35C com 82.33Ah de capacidade, ou melhor. Entre os modelos disponíveis no site da fabricante Newmax, pode-se optar por operar duas baterias de 42Ah em paralelo (modelo FNC 12420-C), ou trabalhar com mais folga com uma única bateria de 100Ah (modelo FNC 121000-C). 7.2.2 Projeto utilizando lâmpadas eletrônicas Agora será feito o dimensionamento das baterias considerando o projeto com as lâmpadas fluorescentes compactas de 15W. Para uma descarga diária média de 20%, a energia demandada e a capacidade das baterias (de 12V) para o pior caso será dada por: Wh= Wh =Ebateria 2200 0.2 440 Ah Wh =Cbateria 183.33 12 2200 ≈ Aproximando a descarga diária (20%) da bateria em 7h, a partir de uma simples regra de três tem-se que a taxa de descarga completa se dará em 35h. Deve-se procurar uma bateria do tipo 35C com 183.33Ah de capacidade, ou melhor. Pode-se optar por 2 baterias de 100Ah em paralelo (modelo FNC 121000-C da Newmax) ou uma única de 200Ah (modelo FNC 122000-C). Uma análise mais profunda sobre preço e disponibilidade de espaço é recomendada. 7.3 Dimensionamento dos Painéis Fotovoltaicos Uma vez que os projetos elétricos envolvendo placas de LEDs e lâmpadas fluorescentes compactas provavelmente irão demandar quantidades distintas de
  78. 78. 68 placas fotovoltaicas, o dimensionamento será feito em duas etapas, a fim de torná- lo mais claro. 7.3.1 Dimensionamento utilizando placas de LEDs Os cálculos descritos nesse capítulo levam em consideração as horas de sol pleno equivalente calculada no capítulo 4, ou seja aproximadamente 4,52 horas de sol pleno equivalente por dia no mês mais crítico do verão, e cerca de 3,10 horas de sol pleno equivalente por dia no mês mais crítico do inverno. A potência mínima do sistema (ainda não considerando as perdas), necessária para ao menos suprir o consumo diário nos meses críticos, tanto no caso do verão, quanto no caso do inverno será dada por: W,=Potênciaverão 7243 4,52 197,6 ≈ W,=Potênciainverno 1946 3,10 143,2 ≈ Para esse caso, a situação mais crítica acontece durante o inverno. Dimensionar-se-á os painéis para esse caso, levando em conta as perdas nos cabeamentos, as perdas de conversão de energia e as perdas por desajuste (não utilização de um MPPT), assim tem-se que a potência instalada necessária será: ( ) ( ) ( ) W, , =Potêncianecessária 6660 0,1010,1010,061 1946 ≈ −⋅−⋅− E número de painéis necessários: 3,03 20 60.66 ≈=Painéismínimo Portanto serão necessários 4 painéis de 20W para suprir o consumo dos aparelhos e dos LEDs. O Excesso no Inverno (em %) é dado por: 8831100 6660 666080 , , , =Einverno ≈⋅ −
  79. 79. 69 Para o cálculo da Reserva no Verão, precisamos conhecer a Potência Necessária no verão, que é dada por: ( ) ( ) ( ) W, , =Potênciaverão 4257 0,1010,1010,061 7243 ≈ −⋅−⋅− A Reserva no Verão (em %) é dada então por: 3239100 4257 425780 , , , =Rverão ≈⋅ − Como é bastante evidente pelos nossos cálculos, haverá uma sobra considerável de energia caso se adotem 4 painéis, assim, os equipamentos considerados poderão permanecer mais tempo conectados do que o inicialmente prescrito. 7.3.2 Dimensionamento utilizando lâmpadas eletrônicas Caso se opte por um projeto considerando as lâmpadas fluorescentes compactas, tem-se que a potência mínima diária para os meses críticos, sem levar em conta as perdas, será dada por: W,=Potênciaverão 35197 4,52 440 ≈ W,=Potênciainverno 84104 3,10 325 ≈ A situação mais crítica (mais necessidade de energia) acontecerá durante o inverno. Para esse caso, e levando em conta as perdas nos cabeamentos, as perdas de conversão de energia e as perdas por desajuste (não utilização de um MPPT), tem-se que a potência mínima de geração será dada por: ( ) ( ) ( ) W, , =Potêncianecessária 69137 0,1010,1010,061 84104 ≈ −⋅−⋅− E número de painéis necessários:

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